Причини популярності альтернативних джерел енергії цілком зрозумілі: існує можливість заощадити на паливі і втілити в життя мрії про екологічно чистих системах життєзабезпечення. Уміло використовуючи енергію сонця, вітру і води, можна звичайний дачний будиночок перетворити в сучасний екобудинок.
Ми розповімо, як в приватному будинку обладнати опалення на сонячних батареях, розберемо разом з вами, наскільки це вигідно. Для того щоб досконально висвітлити питання застосування енергії денного світила, ми докладно описали всі популярні варіанти, які отримали практичне застосування і позитивні відгуки користувачів.
З урахуванням наших рекомендацій ви зможете спорудити ефективну геліосистему для дачі або заміського будинку. Щоб полегшити сприйняття непростого матеріалу, інформацію ми доповнили наочними схемами, ілюстраціями і відео-посібниками.
Способи використання сонячної енергії
Методи застосування енергії небесного світила не належать до інноваційних технологій, сонячне тепло використовують давно і вельми успішно. Однак це стосується, в основному, Австралії, деяких країн Європи, Америки і південних регіонів, де альтернативну енергію можна отримувати протягом всього року.
Деякі північні області відчувають дефіцит природного випромінювання, тому його застосовують в якості додаткового або запасного варіанту.
Сонячні батареї - один із способів отримання практично безкоштовної енергії, безоплатно випромінюваної небесним світилом 
Пристрій автономної сонячної електростанції доцільно в регіонах з великою кількістю сонячних днів, що не пов'язане із середньорічною температурою 
Автономну геліосистему розташовують переважно на дахах малоповерхових будинків і на вільних від дерев ділянках 
У період морозів геліосистеми постачають енергію для нагріву повітряного, парового або водяного опалення, влітку забезпечують нагрітою водою 
Сонячні електростанції відносяться до "зеленим", екологічно безпечним, здатним безперервно відновлюватися видами генерації енергії 
Поки ефективність сонячних електростанцій має високу залежність від кількості сонячних днів. Вона рентабельна тільки в південних широтах. У середній смузі і на півночі може служити лише резервним джерелом 
Сонячні панелі на півдні країн СНД зможуть забезпечити заміський будинок електроенергією, гарячою водою і теплоносієм для контурів опалення 
Геліосистеми, навіть використовувані в якості резервного енергетичного джерела, приносять досить високий економічний ефект, знижуючи навантаження на основні варіанти отримання енергії
Посередниками між сонячними променями і створює енергію механізмом є сонячні батареї або колектори, які відрізняються і призначенням, і конструкцією.
Батареї акумулюють енергію сонця і дозволяють використовувати її для живлення побутових електричних приладів. Вони являють собою панелі з фотоелементами з одного боку і фіксуючим механізмом з іншого. Можна поекспериментувати і зібрати батарею самостійно, але простіше купити готові елементи - вибір досить широкий.
Геліосистеми (сонячні колектори) є частиною опалювальної системи будинку. Великі теплоізольовані короба з теплоносієм, як і батареї, кріплять на піднятих щитах, звернених до сонця, або схилах даху.
Вважати, що абсолютно всі північні регіони отримують набагато менше природного тепла, ніж південні, помилково. Припустимо, на Чукотці або в центральній Канаді сонячних днів набагато більше, ніж в розташованій на південь від Великобританії
Для підвищення ефективності панелі поміщають на динамічні механізми, що нагадують систему стеження - вони повертаються слідом за рухом сонця. Процес перетворення енергії відбувається в трубках, розташованих усередині коробів.
Головна відмінність геліосистем від сонячних батарей в тому, що перші нагрівають теплоносій, а другі акумулюють електроенергію. Є можливість обігрівати приміщення і за допомогою фотоелементів, але схеми пристрою нераціональні й придатні тільки для тих для районів, де сонячних днів в році не менше 200.
Схема пристрою опалювальної системи з сонячним колектором, підключеним до бойлера, і запасним джерелом електроенергії (наприклад, газовим котлом), що працює на традиційному паливі (+)
Плюси і мінуси альтернативної опалювальної системи
Переваг у сонячної системи обігріву не так багато, але кожне з них вагомо і може стати причиною для приватних експериментів:
- Екологічні переваги. Це безпечний для мешканців будинку і навколишньої природи, чисте джерело тепла, що не вимагає застосування традиційних видів палива.
- Автономність. Власники систем зовсім не залежать від цін на енергоносії і від економічної обстановки в країні.
- Економічність. При збереженні традиційної опалювальної системи з'являється можливість знизити витрати на оплату гарячого водопостачання.
- Загальнодоступність. Для установки сонячних систем не потрібно дозволу з державних інстанцій.
Але існує і неприємні моменти, здатні зіпсувати загальну картину. Наприклад, для визначення ефективності роботи системи буде потрібно тривалий період - не менше 3 років (за умови, що сонячної енергії досить і вона використовується у реальному часі).
Установка тільки сонячних модулів зажадає великих вкладень: найдешевші кремнієві панелі обійдуться не менше 2200 руб. за штуку, а полікристалічні шестідіодние елементи першої категорії - до 17000 за штуку. Підрахувати вартість 30 модулів досить просто (+)
Користувачі відзначають наступні недоліки:
- високі ціни на обладнання, необхідне для запуску системи в експлуатацію;
- пряма залежність кількості виробленого тепла від географічного положення і погоди;
- обов'язкова наявність резервного джерела, наприклад, газового котла (на практиці часто резервної виявляється гелиосистема).
Щоб домогтися більшої віддачі, доводиться регулярно стежити за справністю колекторів, очищати їх від сміття і берегти від утворення полою в заморозки. Якщо температура часто опускається нижче позначки 0ºС, потрібно подбати про додаткову теплоізоляції не тільки елементів геліосистеми, а й удома в цілому.
Сонячні батареї потужністю 120 Вт круглий рік забезпечують енергією лінії освітлення і побутових пристроїв дачного будиночка 
Малопотужну сонячну електростанцію складають безпосередньо сонячна батарея, акумуляторне пристрій і контролер заряду 
Споживачами енергії сонячної батареї на дачі є енергозберігаючі лампи, електроінструмент, радіоприймач, телевізор 
При використанні в схемі геліобатареї потужністю близько 650 Вт розташований всередині будинку блок обладнання слід доповнити інвертором на 1 кВт
Сонячна енергія для опалення
Головне призначення фотоелементів, які акумулюють енергію, полягає в забезпеченні будинку електрикою. Щоб включити їх в схему пристрою опалювальної системи і домогтися оптимального функціонування, необхідно зібрати ланцюг з накопичувальним баком.
Саме в ньому буде відбуватися нагрівання води, яка, досягнувши певної температури, заповнить труби і радіатори в вимагають обігріву приміщеннях (вітальні, ванній).
Система, що працює від сонячної енергії, з двоконтурним баком, організуючим нагрів і подачу гарячої води в двох напрямках: в опалювальні радіатори і до точок розбору (+)
Спробуємо розібрати конструктивні особливості сонячних батарей і визначити їх потенційну роль в системі обігріву.
Принцип роботи панелей з фотоелементами
Існує три найпоширеніші види елементів для пристрою сонячних батарей:
- Монокристалічні. Це тонкі пластини найбільш чистого кремнію, нарізані з вирощеного в штучних умовах кристала. Найпродуктивніша різновид з ККД близько 17-18%. Оптимальна температура для експлуатації - від 5 ºС до 25 ºС.
- Полікристалічні. Виготовлені з пластин, отриманих при поступовому охолодженні кремнієвого розплаву. Технологіях їх виробництва менш трудомістка, але і ККД фотоелектричних елементів з полікристала істотно нижче - не більше 12%.
- Аморфні. Вони ж плівкові. Виготовлені методом испарительной фази, в результаті якого кремній у вигляді тонкої плівки осідає на полімерній гнучкій основі. Найдешевший виробничий спосіб поєднується з намой низькою продуктивністю, яку можна обчислити до 7%.
Для установки автономних опалювальних систем в північних регіонах найбільш підходящим варіантом вважають фотоелектричні батареї, зібрані з монокристалічних елементів. Однак батареї з аморфними модулями простіше в установці, практично не вимогливі до основи і набагато дешевше.
Монокристалічний модуль складається з послідовно підключених елементів, об'єднаних в модулі. Кілька модулів формують сонячну батарею. Темна поверхня фотоелектричних геліосистем оптимізує поглинання сонячних променів
Завдання зовнішніх елементів - поглинати і перетворювати сонячні промені. Вивільнена енергія надходить далі і концентрується в акумулює накопичувачі. Невеликий елемент дає близько 100-250 Вт, а збірна панель площею 25-30 м² забезпечує електрикою невеликий будиночок. Для пристрою системи обігріву буде потрібно енергії в 2-3 рази більше.
У ролі перетворювача постійного струму сонячного «виробництва» в електрику виступає інвертор, так як для роботи побутових електроприладів і світильників необхідний змінний струм.
Якщо говорити конкретно про опалювальній системі, то електричний котел для нагрівання води також працює на змінному струмі. Для забезпечення житла світлом вночі будуть потрібні акумулятори, що зберігають денні запаси.
Інверторні модулі встановлюють в зручному для обслуговування місці, хоча він не потребує постійного управління і діє в автоматичному режимі (+)
Ефективність використання фотоелементів
Найпростіше придбати сонячні колектори і застосувати одну з простих, перевірених роками схем. Однак обставини часом диктують свої умови. Припустимо, у вас є відмінна функціонуюча робоча система з сонячним генератором, але поки вона служить для подачі електрики і забезпечення будинку гарячою водою.
Зрозуміло, що купувати нове обладнання невигідно, тому легше збільшити потужності, прикупивши кілька фотоелектричних перетворювачів. Бюджетний варіант - кремнієві панелі з продуктивністю до 23-25%.
До джерела струму необхідно підключити опалювальний прилад, що працює на електриці. Універсальний варіант - котел, оснащений розподільної розводкою.
Полімерні плівкові елементи на російському ринку зустрічаються набагато рідше, ніж кремнієві моно- і полікристалічні аналоги. Вони зручні для монтажу, але мають низький ККД - всього 6%
Якщо правильно організувати подачу електроенергії, її має вистачити і для гарячого водопостачання, і для опалення. Існують приклади, коли будинок повністю забезпечений теплом - його можна дізнатися по даху, практично повністю покритою панелями.
Іноді потрібно зведення спеціальних окремо розташованих конструкцій, якщо площі покрівлі не вистачає. Виходить, що для збільшення потужності необхідна додаткова вільна площа.
Навіть самі ретельні підрахунки не допоможуть вам визначити точну кількість потенційної енергії і оперативно створити ефективну, злагоджену систему. Справа в тому, що на практиці виникають перешкоди, поява яких передбачити досить складно.
Ось деякі з факторів:
- Мінливість погоди. Чітке кількість сонячних днів невідомо навіть в південних областях. Достовірно передбачити їх число в північних районах практично неможливо.
- Нерегулярність отримання електрики. Наприклад, в північних регіонах взимку короткий світловий день, тому багато переробленої сонячної енергії йде на освітлення. До того ж інтенсивність сонячного випромінювання в зимовий період істотно зменшується.
- Періодичні поломки. Як і всі технічні системи сонячні панелі можуть час від часу виходити з ладу через пошкодження окремих елементів, контрактних з'єднань, захисної поверхні і т.д.
Отже, про ефективність ви можете дізнатися лише через певний проміжок часу, мінімум - через рік. Можливо, доведеться збільшити кількість фотоелементів або акумуляторів, продумати додаткову теплоізоляцію будинку, зменшити опалювальну територію. Припустимо, в північних районах Німеччини з метою економії спальні часто вже не опалюються взагалі.
Обслуговування встановлених фотоелементів не вимагає спеціальних умінь і полягає в регулярному чищенні: прибирання снігу взимку і сміття в теплий період, промиванні скляної поверхні водою зі шланга
Схема установки домашньої електростанції
Найпростіший спосіб установки сонячного генератора - звернення в компанію, що реалізує системні компоненти і пропонує послуги з їх монтажу. Плюси - професійний проект з урахуванням індивідуальних особливостей, гарантія на всю продукцію і установку, мінус - висока вартість.
Якщо ви маєте відповідний досвід, можете самостійно зібрати міні-електростанцію з сонячними батареями для опалення приватного будинку.
Найбільш ефективною вважається гібридна схема пристрою повітряно-сонячної системи, в якій задіяні фотоелементи для отримання енергії, колектори для нагрівання води і додатково встановлено вітрогенератор. Його можна замінити резервним паливним джерелом (+)
Всі деталі для зборки системи опалення продаються в спеціалізованих магазинах.
Необхідно придбати наступні компоненти:
- комплект кремнієвих або плівкових сонячних модулів;
- акумуляторну батарею, накопичують енергію;
- контролер заряду, який регулює процес зарядки-розрядки акумулятора;
- інвертор, що перетворює постійний струм в змінний;
- набір з'єднують кабелів.
Бажано, щоб акумулятори були однаковими (з урахуванням марки, ємності і навіть партії) і мали можливість зберігати енергію протягом 3-4 днів. Тривалість їх роботи залежить від температури приміщення - в холодних умовах вони швидко розряджаються. Якщо добове споживання одно Потужність 2400 Вт-ч, необхідні батареї загальною ємністю не менше 1000 А-ч.
При використанні автомобільних акумуляторів пам'ятайте, що їх максимальна ефективність - 70-75% (термін служби - 3 роки), спеціальні пристрої для сонячних систем мають кращі показники - до 85% (термін служби - 10 років). Деяка кількість енергії втрачається в процесі зберігання і перетворення
Якість струму, що виробляється синусоїдальними инверторами для сонячних систем, вище показників струму з централізованої мережі. Особливість обладнання полягає в синхронізації фази напруги, при якій перехід 12 В в 220 В здійснюється без перерви у функціонуванні побутових електричних приладів.
Потужність інверторів - від 250 Вт до 6000 Вт і вище. Збільшити потужність на виході можна пустеем паралельного підключення декількох приладів. Наприклад, 3 х 3000 Вт = 9000 Вт (+)
Після монтажу всіх елементів сонячної системи необхідно до инвертору підключити електричний бак, що нагріває воду, а до баку, в свою чергу, трубопровід опалення.
Колекторна система опалення
Найбільшою ефективності і віддачі можна домогтися, встановивши замість сонячних модулів колектори - зовнішні установки, в яких під дією сонячного випромінювання відбувається нагрів води. Така система є більш логічною і природною, оскільки не потребують нагрівання теплоносія іншими пристроями.
Розглянемо конструкцію і принцип дії приладів двох основних видів: плоских і трубчастих.
Плоский варіант для самостійного виготовлення
Конструкція плоских установок настільки проста, що досвідчені майстри-умільці збирають кустарні аналоги своїми руками, частина деталей купивши в спеціалізованому магазині, частина спорудивши з підручного матеріалу.
Усередині сталевого або алюмінієвого утепленого короба закріплена пластина, адсорбуються сонячне тепло. Найчастіше вона покрита шаром чорного хрому. Зверху теплопоглотітель захищений герметичною прозорою кришкою.
Нагрівання води відбувається в трубках, укладених змійкою і з'єднаних з пластиною. Вода або антифриз надходить всередину короба через впускний патрубок, нагрівається в трубках і переміщається на вихід - до випускного патрубка.
Світлопропускна здатність кришки пояснюється використанням прозорого матеріалу - міцного загартованого скла або пластику (наприклад, полікарбонату). Щоб сонячні промені не відбивалися, скляну або пластикову поверхню матируют (+)
Існує два види підключення, однотрубних і двотрубних, принципової різниці у виборі немає. Але існує велика різниця в тому, яким способом теплоносій подаватиметься до колекторів - самопливним або за допомогою насоса. Перший варіант визнаний неефективним через слабку швидкості пересування води, за принципом нагріву він нагадує ємність для літнього душа.
Функціонування другого варіанту відбувається завдяки підключенню циркуляційного насоса, який подає теплоносій в примусовому порядку. Джерелом енергії для роботи насосного обладнання може стати енергосистема на сонячних батареях.
Температура теплоносія при нагріванні сонячним колектором досягає 45-60 ºС, на виході максимальний показник - 35-40 ºС. Для підвищення ефективності роботи опалювальної системи поряд з радіаторами використовують «теплі підлоги» (+)
Трубчасті колектори - рішення для північних регіонів
Загальний принцип роботи нагадує функціонування плоских аналогів, але з однією різницею - теплообмінні трубки з теплоносієм знаходяться всередині скляних колб. Самі трубки бувають пір'яними, запаяними з одного боку і зовнішнім виглядом нагадують пір'я, і коаксіальними (вакуумними), вставленими один в одного і запаяними з обох сторін.
Теплообмінники також бувають різними:
- система перетворення сонячної енергії в теплову Heat-pipe;
- звичайна трубка для переміщення теплоносія U-type.
Другий вид теплообмінників визнаний більш ефективним, але недостатньо популярним через вартість ремонту: при виході з ладу однієї трубки доведеться робити заміну всієї секції.
Трубка Heat-pipe не є частиною цілого сегмента, тому поміняти її можна за 2-3 хвилини. Що вийшли з ладу коаксіальні елементи ремонтують, просто знявши заглушку і замінивши пошкоджений канал.
Схема, яка пояснює циклічність нагрівального процесу всередині вакуумних трубок: холодна рідина під впливом сонячного тепла нагрівається і випаровується, поступаючись місцем наступної порції холодного теплоносія (+)
Проаналізувавши технічні характеристики колекторів різного типу і узагальнивши досвід їх використання, вирішили, що для південних областей більше підходять плоскі колектори, а для північних - трубчасті. Особливо добре зарекомендували себе в умовах суворого клімату установки з системою Heat-pipe. Вони мають нагрівальної здатністю навіть у похмурі дні і вночі, «харчуючись» мінімальною кількістю сонячного світла.
Зразок стандартної схеми підключення сонячних колекторів до бойлерні обладнання: насосна станція забезпечує циркуляцію води, контролер регулює процес нагрівання
Метод збільшення продуктивності
Зазвичай, поекспериментувавши з невеликою кількістю сонячних модулів, власники приватних будинків йдуть далі і удосконалюють систему різними способами.
Найпростіший спосіб - це збільшення кількості задіяних модулів, відповідно, залучення додаткових площ для їх розміщення і покупка більш потужного супутнього обладнання
Що робити, якщо існує дефіцит вільної площі? Ось кілька рекомендацій для підвищення ефективності сонячної станції (з фотоелементами або колекторами):
- Зміна орієнтації модулів. Переміщення елементів щодо положення сонця. Простіше кажучи, установка основної частини панелей на південній стороні. При довгому світловому дні також оптимально задіяти поверхні, що виходять на схід і захід.
- Регулювання кута нахилу. Виробник зазвичай вказує, який кут є найкращим (наприклад, 45º), але часом при монтажі доводиться вносити свої корективи з урахуванням географічної широти.
- Правильний вибір місця установки. Дах підходить, тому що найчастіше є найвищою площиною і не затінюється іншими об'єктами (припустимо, садовими деревами). Але існують ще більш підходящі площі - поворотні пристрої стеження за сонцем.
При перпендикулярному розташуванні елементів до променів сонця система працює більш ефективно, проте на стабільно закріпленої поверхні (наприклад, даху) це можливо лише на короткий проміжок часу. Щоб його збільшити, придумали практичні пристрої стеження.
Механізми стеження - це динамічні платформи, які своєю площиною повертаються слідом за сонцем. Завдяки їм продуктивність генератора збільшується влітку приблизно на 35-40%, взимку - на 10-12%
Великим мінусом пристроїв стеження є їх висока вартість. У деяких випадках вона не окупається, тому немає сенсу вкладатися в непотрібні механізми.
Підраховано, що 8 панелей - мінімальна кількість, при якому витрати з часом виправдають себе. Можна задіяти і 3-4 модуля, але за однієї умови: якщо вони безпосередньо, в обхід акумуляторів, підключені до водяного насосу.
Буквально на днях компанія Тесла Моторс оголосила про створення нового типу даху - з інтегрованими сонячними батареями. Ілон Маск заявив, що модифікована дах буде дешевше, ніж звичайна покрівля з встановленими на неї колекторами або модулями.
Висновки і корисне відео по темі
Тематичні відеоролики допоможуть вам краще уявити пристрій домашніх сонячних станцій і розкриють деякі секрети монтажу обладнання.
Відео # 1. Доступно викладена технічна інформація про сонячних батареях і контролерах заряду:
Відео # 2. Корисний досвід використання сонячних батарей в Підмосков'ї:
Відео # 3. Приклад успішно працює сонячної станції, повністю зібраної самостійно, що забезпечує і ГВП, і опалення будинку:
Як бачите, опалювальна система на сонячних батареях - цілком реальне явище, яке ви можете самостійно втілити в життя. Сфера альтернативних способів отримання енергії розвивається постійно, можливо, завтра ви почуєте про нове відкриття.
Запрошуємо активно коментувати матеріал. Висловити своє ставлення до "зеленої енергетики", поділитися досвідом у влаштуванні системи з сонячних батарей, повідомити тільки вам відомі тонкощі ви зможете в блоці, розташованому нижче.