Отопление частного дома солнечными батареями

Интеграция СЭС в общее электроснабжение дома и другие возможные варианты установок

Но даже если купить солнечные батареи для отопления в таком количестве хватит денег, что делать с выработкой весной, летом и осенью? Ведь генерация СЭС на 30 кВт составляет в такие месяцы 100-180 кВт*ч в сутки, тогда как для полного потребления дома в это время достаточно 25 кВт*ч.

Даже такой объем позволит снабжать энергией следующий примерный набор устройств:

Электроприборы	Мощность, Вт	Количество	Время применения (часов в сутки)	Потребление (кВт*ч в сутки)
Внутреннее и внешнее освещение	10	20	5	1
Зарядки для телефонов	5	2	1	0,01
Телевизоры	80	2	3	0,48
Компьютеры и ноутбуки	150	2	12	3,6
Фен	1000	1	0,5	0,5
Холодильник	50	1	24	1,2
Электрочайник	2000	1	0,2	0,4
Микроволновая печка	800	1	0,3	0,24
Электроплита	2000	1	3	6
Электрокотел для подогрева воды	2500	1	2	5
Кондиционер	800	1	3	2,4
Стиральная машина	1500	1	2	3
ИТОГО:				23,83

Куда использовать остальные 40-100 кВт? И существует ли вариант «сброса» излишков в централизованную сеть? Рассмотрим эти вопросы подробно.

Основным недостатком солнечной станции, установленной исключительно для автономного отопления дома солнечными батареями в зимний период, является её неэффективное использование. Ведь в остальное время года, когда ежемесячная генерация намного выше, будет много излишек электроэнергии. В этом нет ничего критичного для оборудования, оно само снизит генерацию и ничего с этим делать не нужно. Вопрос в другом, куда можно потратить эту лишнюю энергию во благо?

Ситуацию могла бы исправить установка не полностью автономной, а гибридной или сетевой версии, при условии наличия стабильной центральной электросети. Но и это не панацея, ведь, при ныне действующем российском законодательстве, такие варианты не дадут быструю окупаемость.

Более того мы рассчитали станцию на 30кВт, а продавать энергию в централизованную сеть на договорных условиях для частных станций мощностью более 15 кВт запрещено, нужно будет ограничивать продажу (в настройках системы) до 15кВт. Сетевая или гибридная модификация меньшей мощности может помочь решить вопрос, но излишки пришлось бы реализовывать по оптовой цене для региона – т.е. в среднем по 2 руб. за 1 кВт*ч. Учитывая стоимость оборудования, затраченную на СЭС для отопления солнечными батареями, подобный выход (при наличии стабильной центральной сети), финансово абсолютно нецелесообразен.

Интеграция СЭС в существующие системы отопления

Последний, вполне приемлемый вариант – использовать солнечные панели для обеспечения электроэнергией отдельных элементов уже существующих отопительных систем дома.

1. Газовый и твердотопливный котлы.

   В таких отопительных системах необходимо снабжать электроэнергией только двухконтурный котел (или насос, если он технически не интегрирован в котел). Его потребление – не более 60-100 Вт/час, или 0,1 х 24 = 2,4 кВт*ч/сутки. В этом случае достаточно будет электростанции на 2,5-3 кВт, стоимостью не более $2500-3000 из 8-10 панелей, которые поместятся на любой крыше. А в летнее время года, такой системы будет достаточно чтобы снабжать электричеством весь дом.

   2.

2. Тепловые насосы.

   Следующий способ отопления солнечными батареями – обеспечить э/э тепловые насосы. Для частного дома площадью 80м2 расчет потребления электроэнергии при таком виде отопления довольно сложный и зависит от многих субъективных факторов. Для тепловых насосов необходимой мощности может понадобится СЭС мощнее, чем для газового отопления той же площади – на 5-8 кВт.

Принцип действия

Каждая солнечная батарея для дачи содержит комплект обязательных компонентов, взаимно связанных между собой. Основным элементом является солнечная батарея или панель, работающая на принципе фотоэффекта и выполняющая преобразование световой энергии в электричество.

Конструкция состоит из двух слоев полупроводниковых материалов, плотно совмещенных между собой. Они обладают разной проводимостью, а добавляемые химические соединения придают дополнительные свойства, благодаря которым и возникает фотоэффект. В одном из материалов избыточно количество электронов, а в другом их недостает. Граница между ними известна, как р-п-переход. В этом месте очень тонким слоем наносится материал, препятствующий свободному переходу электронов, когда система находится в нерабочем состоянии.

Фотоны солнечного света попадают на поверхность полупроводника, после чего их энергия передается электронам. Под действием удара они выбиваются, приобретают дополнительную энергию, успешно переходят через защитный слой и занимают место положительных зарядов, двигающихся в противоположном направлении. Таким образом, возникает направленное движение заряженных частиц, то есть, электрический ток.

Далее в работу включаются другие компоненты, входящие в набор. Аккумуляторная батарея накапливает излишки электричества и сохраняет их. При росте энергопотребления или в ночное время, когда панели не работают, накопленная энергия отдается, а в сети поддерживается стабильный уровень напряжения.

Уровень заряда регулируется контроллером, не допускающим отклонений в сторону его уменьшения или чрезмерного увеличения (перезаряда). Постоянный ток преобразуется в переменный с помощью специального инвертора, а стабилизатор создает напряжение в нужном диапазоне, одновременно устраняя возможные скачки и перепады в сети. В результате, получается устойчивый переменный ток с разностью потенциалов 220 вольт, который может использоваться сколько угодно для большинства домашних приборов и оборудования.

Особенности отопления солнечным теплом

Целесообразность устройства системы солнечного отопления у многих вызывает сомнения. Основной довод — это дорого и никогда себя не окупит. С тем, что это дорого, приходится согласиться: цены на оборудование немаленькие. Но никто не мешает вам начать с малого. Например, для оценки эффективности и практичности идеи сделать подобную установку самому. Затрат минимум, а представление будете иметь из первых рук. Потом уже будете решать стоит со всем этим связываться или нет. Вот только в чем дело: все негативные сообщения от теоретиков. От практиков не встречалось ни одного. Идет активное выяснение способов улучшения, переделок, но никто не сказал, что затея бесполезна. Это о чем-то говорит.

Теперь о том, что установка системы солнечного отопления никогда не окупится. Пока срок окупае

Если включить гелиосистему параллельно с централизованным энергоснабжением, можно сэкономить приличную сумму

мости в нашей стране большой. Он сравним со сроком эксплуатации солнечных коллекторов или батарей. Но если посмотреть динамику роста цен на все энергоносители, то можно предположить, что вскоре он сократится до вполне приемлемых сроков.

Теперь собственно о том, как сделать систему. Прежде всего, нужно определить потребность вашего дома и семи в тепле и горячей воде. Общая методика расчета системы солнечного отопления следующая:

• Зная, в каком регионе находится дом, вы можете узнать, сколько солнечного света приходится на 1м2 площади в каждом месяце года. Специалисты это называют инсоляцией. Исходя из этих данных, вы затем сможете прикинуть, сколько солнечных панелей вам необходимо. Но сначала нужно определить, сколько тепла понадобится на подготовку ГВС и отопление.
• Если счетчик горячей воды у вас есть, то вы знаете объемы горячей воды, которые вы тратите ежемесячно. Выведите средние данные расхода за месяц или считайте по максимальному расходу — это кто как хочет. Также у вас должны иметься данные о тепловых потерях дома.
• Присмотрите солнечные нагреватели, которые хотели бы поставить. Имея данные по их производительности, вы сможете примерно определить количество элементов, необходимое на покрытие ваших потребностей.

Кроме определения количества составляющих гелиосистемы, понадобится определить объем бака, в котором будет накапливаться горячая вода для ГВС. Это легко можно сделать, зная фактический расход вашей семьи. Если у вас установлен счетчик на ГВС, и вы имеете данные за несколько лет, можно вывести среднюю норму потребления в день (средний расход в месяц поделить на количество дней). Вот примерно такой объем бака вам нужен. Но бак нужно брать с запасом в 20% или около того. На всякий случай.

Принципиальная схема отопления дома с солнечными коллекторами

Если ГВС или счетчика нет, можно воспользоваться нормами потребления. Один человек в сутки в среднем расходует 100-150 литров воды. Зная, сколько человек постоянно проживают в доме, вы рассчитаете требуемый объем бака: норма умножается на количество жильцов.

Сразу нужно сказать, что рациональной (с точки зрения окупаемости) для средней полосы России является система солнечного отопления, которая покрывает порядка 30% потребности в тепле и полностью снабжает горячей водой. Это усредненный результат: в какие-то месяцы отопление будет на 70-80% обеспечиваться гелиосистемой, а в какие-то (декабрь-январь) всего на 10%. И снова-таки многое зависит от типа солнечных батарей и от региона проживания.

Причем дело не только в «севернее» или «южнее». Дело в количестве солнечных дней. Например, на очень холодной Чукотке солнечное отопление будет очень эффективным: там почти всегда светит солнце. В гораздо более мягком климате Англии, с вечными туманами, его эффективность крайне низка.

;

Оборудование для солнечной электростанции

Эффективность работы солнечных панелей для частного дома определяется не только правильным подбором и расчетом числа модулей. Во многом она зависит от выбора оборудования.

Аккумуляторы

Наилучшие результаты в системах показывают литиевые АКБ, однако стоимость их пока непомерно высока – порядка 4 долларов на 1 Вт мощности. При этом их ресурс составляет 1000-2000 циклов заряд-разряд, что соответствует сроку эксплуатации 3-6 лет. В этом отношении выгоднее кислотно-свинцовые батареи. При том же ресурсе их стоимость почти в 10 раз ниже – около 38 центов на 1 Вт.

Для дома лучше использовать необслуживаемые батареи – AGM или гелевые

При желании получить большую экономию следует обратить внимание на обслуживаемые тяговые аккумуляторы. Их ресурс работы (с учетом замены электролита, восстановления пластин) значительно выше

Однако их придется устанавливать в специальном помещении с соблюдением обязательных условий (например, оборудованном отдельной вентиляционной установкой).

Нужное напряжение батарей получают путем последовательного соединения.

Контроллер панелей

Устройство отвечает за передачу энергии от солнечных панелей на аккумуляторы или на вход ведомого сетью инвертора.

В настоящее время большинство контроллеров используют один из двух принципов регулирования:

1. ШИМ (PWM). Использует широтно-импульсную модуляцию, работает при превышении напряжения батарей над АКБ до двукратного.
2. MPPT (Maximum Power Point Tracking). Устройство обеспечивает максимальную отдачу мощности, работает с любыми разностями напряжений и обладает повышенным, по отношению к контроллеру ШИМ, КПД. Однако при этом стоит, при прочих равных, в среднем в 4 раза дороже.

Для мощных солнечных станций для большого дома следует отдать предпочтение именно второму варианту.

Инвертор

Специфичен только для сетевых (ведомых сетью) солнечных станций. Для автономных и гибридных используются одни и те же модели, но в различных режимах. Современные технологии позволяют получить высокий КПД и качество выходного напряжения. При этом могут формироваться как однофазная, так и трехфазная система напряжений.

Мощность и количество

Определить, какое количество солнечных панелей необходимо, следует по средней и максимальной мощности потребления. Среднюю легко найти в счетах за электроэнергию – месячное потребление делится на количество дней в месяце. Максимальное находится суммированием мощностей всех имеющихся в доме электроприборов.

Кроме мощности потребителей необходимо учесть:

• Время работы солнечных батарей. Как правило, принимается равным 6 часам, соответственно, мощность генерации нужно кратно увеличить.
• Потери на преобразование при зарядке аккумуляторов и получении переменного напряжения на инверторе. С их учетом необходим запас по мощности не менее 30%.
• Пиковые токи. Например, при средней мощности стиральной машины 500 Вт при работе нагревателя может потребляться до 2 кВт. При пуске насосов или других двигателей, пусковые токи могут превосходить номинальные значения в 5-6 раз. Конечно, львиную долю примут на себя аккумуляторы, но запас модулей по току в 20-30% не помешает.
• Географию и погодные условия местности – коэффициент инсоляции. Найти его для зимнего и летнего времени можно в справочниках.

После расчета необходимой мощности генерации рассчитывается мощность, отдаваемая одной батареей:

P = Kc * Wn * Ki

Где:

• Кс – стандартный сезонный коэффициент, 0.5 для лета и 0.7 для зимы.
• Wn – мощность панели, заявленная производителем.
• Ki – коэффициент инсоляции, также берется для лета и зимы.

Рассчитанную необходимую мощность генерации делят на оба (летнее и зимнее) значения. Наибольшее из двух чисел будет минимальным количеством панелей, которые потребуются для электроснабжения дома.

Мнение эксперта
Торсунов Павел Максимович

Окончательно принимают ближайшее число кратное 2 для системы с выходным напряжением 24 В, 4 – для 36 В, 4 – для 48 В.

Разновидности солнечных батарей

Большинство солнечных панелей, в том числе и для частного дома, созданы на основе кремния, который считается наиболее распространенным и дешевым материалом с высокой производительностью.

Существует несколько типов батарей с кремниевыми элементами, подходящими для дачного участка.

Монокристаллические

Считаются наиболее дорогими и эффективными. Каждый кристалл является фотоэлементом, а все вместе они соединяются в общую панель. Изготавливаются из кремния с высокой чистотой. Готовые монокристаллы разрезаются на пластинки, толщиной 250-300 мкм. Вся площадь пронизана металлическими электродами, нанесенными в виде сетки. Такая солнечная батарея с высокой мощностью в кВт обладает сравнительно высоким КПД, составляющим около 25%, поэтому она стоит дороже поликристаллических или аморфных аналогов. Ее отличает насыщенный однородный синий цвет и закругленные углы квадратов фотоэлементов.

Поликристаллические

Состоят из нескольких кристаллов, объединенных в общий элемент. Они производятся методом расплава с последующим медленным охлаждением. Данный способ более простой и дешевый, но и структура фотоэлементов получается неоднородной, что снижает уровень поглощения солнечного света. В результате, КПД таких панелей составляет всего лишь 12-18%, то есть, их производительность ниже по сравнению с монокристаллами. Однако, продажа по низкой цене делает эти солнечные батареи для дома более привлекательными для потребителей.

Тонкопленочные или аморфные

В них используется не чистый кремний, а его соединения, напыляемые тонким слоем на гибкую пленочную подложку. Такие батареи отличаются самой низкой производительностью, поскольку их КПД не превышает 5-6%.

Для выработки электроэнергии, сопоставимой с поликристаллическими, потребуется в два раза большая площадь рабочей поверхности. Тем не менее, они также пользуются спросом, благодаря возможности монтажа на стены, на крышу и другие нестандартных площади. Главное, определиться сколько их нужно в данном случае.

Сборка фотоэлементов в отдельные блоки путем параллельного подключения, обеспечивает требуемый уровень напряжения, что дает возможность установить солнечные батареи на дачу 10 квт. Такое объединение производится с использованием однотипных компонентов. При выборе предпочтение следует отдавать одной большой панели, нежели двум маленьким. Во втором варианте используются дополнительные подключения и соединения, снижающие надежность устройства.

Выбор АКБ, контроллера и инвертора

Работоспособность системы во многом зависит и от других компонентов, входящих в комплект солнечных батарей для дома

Особое внимание следует уделить аккумулятору, который в нужное время будет отдавать накопленную электроэнергию. Выбор модели осуществляется в соответствии с потребностью в электроэнергии, поэтому нужно заранее рассчитать ее суточный расход для имеющихся потребителей, в том числе и для освещения

Расчет выполняется с запасом в 10%, учитывающим потери в инверторе во время преобразования тока.

Если система солнечных батарей используется в качестве автономного источника питания, емкость аккумулятора должна быть максимально возможной. Если же планируется аварийный или резервный режим, то в первую очередь нужно рассматривать сроки эксплуатации.

Тип АКБ выбирается по условиям применения. При незначительных нагрузках вполне достаточно обычных стартерных батарей, хотя они и требуют регулярного обслуживания. Гелевым устройствам подобный уход не требуется, но электроэнергии они способны накопить значительно больше. Аккумулятором с герметичной и заливной конструкцией можно пользоваться в течение длительного времени, несмотря на высокую мощность потребителей.

Следующее оборудование для солнечных батарей представляет собой контроллер, подключаемый на участке между АКБ и солнечной панелью. Наиболее сложные и дорогие изделия способны отслеживать изменяющиеся входящие потоки и выравнивать их до требуемых значений. Такие приборы лучше всего подходят для больших солнечных систем, а на даче можно использовать более простые модели, например PWM. Когда аккумулятор заряжается на 80%, эти устройства снижают напряжение на солнечных панелях и далее поддерживают его на определенном уровне. Самые простые и дешевые приборы в таких случаях просто отключают подачу напряжения.

Выбор преобразователя – инвертора также требует определенной информации о системе. Входное напряжение должно соответствовать мощности данного устройства. Например, при показателе в 24 В, мощность инвертора составляет не менее 600 ватт

Рекомендуется выбирать инвертор синусоидального типа, обращать внимание на массу, которая зависит от мощности устройства. На каждые 100 ватт приходится 1 кг устройства, следовательно, инвертор на 3 квт будет весить 30 кг

Значение выходного тока должно соответствовать мощности всех подключенных потребителей.

Зная параметры и характеристики основных компонентов, можно собрать их по частям или приобрести готовые комплекты солнечных батарей.

Солнечные батареи для дома

Установка солнечных батарей

Инверторы для солнечных батарей

Как сделать солнечную батарею своими руками

Расчет солнечных батарей

Производство солнечных батарей

Виды

Монокристаллические

Такие батареи визуально выглядят как панели с сегментами глубокого черного цвета. Получили название за счет конструкции на основе монокристаллов кремния.

Самый существенный недостаток — строгая ориентировка оптических осей кристаллов, что требует точного позиционирования панелей для получения максимальной отдачи. По этой же причине монокристаллы не терпят затенения – генерация энергии значительно снижается.

В настоящий момент обладают самым высоким КПД преобразования – около 22%. При этом стоимость тоже наиболее высокая – порядка 0.9-1.1 доллара за 1 Вт генерируемой мощности.

Поликристаллические модули

Название такие батареи получили за счет размещения на подложке множества кремниевых кристаллов с хаотически ориентированными оптическими осями. Визуально такие модули отличаются синим цветом с «морозным» рисунком.

Аморфные

Технология изготовления рабочего тела сходна с поликристаллическими, но в качестве основы выступает аморфный кремний (aSi). При КПД в пределах 8-11% отличаются высокой эффективностью работы в рассеянном свете, могут захватывать и инфракрасный диапазон. В результате обладают лучшей стоимостью – порядка 0.5-0.7 доллара за 1 Вт.

Кроме того, имеют солидное преимущество – гибкую основу. Это означает, что для монтажа не требуется жестких конструкций, материал легко клеится на поверхности любой формы.

Остальные

Модули, предлагаемые производителями, могут быть изготовлены и по другим технологиям:

• Микроморфные, отличаются высокой отдачей при рассеянном и инфракрасном излучении.
• Гибридные, использует несколько полупроводниковых материалов и обеспечивают высокий КПД преобразования (до 44%).
• Полимерные, гибкие с подложкой из полимерных материалов, абсолютные лидеры по стоимости.

Такие предложения следует тщательно изучать, некоторые из них могут оказаться намного выгоднее, чем лидирующие на рынке панели, выполненные по стандартным технологиям.

Вообще, монокристаллические панели можно рекомендовать для установки только жителям южных регионов. Остальным следует выбирать поликристаллы или панели по другим технологиям.

Следует обращать внимание не только на технологию панелей, но и на качество. В маркировке оно отображается как Grade от A (самое высокое) до D

Кроме того, рекомендуется проверить и репутацию производителя, особенно, если он выпускает не собственную, а OEM-продукцию. Сделать это можно на сайтах лабораторий качества – Калифорнийской или Европейской TUV.

Напряжение

Как правило, панели выпускаются с выходным напряжением 12 В. Но для заряда аккумуляторов необходимо иметь в системе напряжение выше, чем из рабочее, да и преобразование из постоянного в переменное выгоднее по КПД производить с более высоких значений.

Какое выходное напряжение на Ваших солнечных панелях?

12 В / 24 В36 В / 48 В

Поэтому принята стандартная практика использовать напряжения:

• 12 В для систем с потреблением на более 1 кВт.
• 24 В или 36 В – при потреблении до 5 кВт.
• 48 В – при мощности свыше 5 кВт.

Для получения таких напряжений используют последовательное включение панелей (наборов панелей).

Установка

Монтировать панели допускается практически как угодно – вертикально, горизонтально, под наклоном. Однако следует учитывать, что максимальную отдачу модули дают при падении солнечных лучей на рабочую поверхность перпендикулярно. При этом нужно обеспечить и максимальное время облучения.

Отсюда – некоторые рекомендации по установке:

• Ориентировать фотоприемники на юг.
• Располагать панели под углом, равным широте местности.
• Изменять (по возможности) угол наклона на 20% — увеличивать зимой и уменьшать летом.

Следует также позаботиться, чтобы в течение всего светового дня модули не подвергались затенению деревьями на участке или другими зданиями. В этом случае удастся обеспечить максимальную мощность генерации. Особенно критично это для монокристаллических батарей, отдача которых существенно снижается в рассеянном свете.

Частые вопросы

Можно ли обойтись в автономной системе без аккумуляторов?

Поскольку генерация идет с перерывами, накопитель в системе обязателен. Можно использовать не электрохимические, а другие варианты, например, гидроаккумулятор. Но, как правило, его создание обойдется значительно дороже и связано с трудностями исполнения.

Можно ли увеличить отдачу панелей с использованием поворотных систем слежения за солнцем?

Конечно, но они существенно усложняют и удорожают систему.

Можно ли установить в систему автомобильные обслуживаемые аккумуляторы?

Можно, но с ними те же проблемы, что и с тяговыми – требуется отдельное помещение и соответствующие правилам безопасности условия. Кроме того, они плохо переносят разряд малыми токами, что существенно снижает ресурс.

Как часто нужно мыть поверхности панелей?

Как правило, производители не устанавливают частоту такого обслуживания, утверждают, что природных осадков достаточно для чистоты поверхностей. Но 2-4 раза в год полить панели водой из шланга не помешает.

Какую из схем использовать выгоднее?

Наиболее эффективной считается гибридная система, которая позволяет обеспечить бесперебойное электроснабжение при минимуме оплаты поставщикам электроэнергии.

Стоит ли использовать солнечные панели для частного дома в Средней полосе?

По показателям инсоляции можно сделать вывод, что и в такой местности солнечные электростанции себя вполне оправдывают. Естественно, в общем она обойдется несколько дороже, но окупает создание всего за 3-5 лет эксплуатации.