Использование энергии солнечного света для отопления жилища – относительно молодая технология. Она обладает большим потенциалом для развития и большим будущим. Энергия Солнца - бесплатный и возобновляемый источник тепла с практически бесконечным запасом.
Солнечный свет пока не может служить единственным источником энергии. Гелиосистемы используются в качестве дополнительного нагревателя в комплексных системах отопления.
Развитие технологий, совершенствование свойств материалов, инженерных конструкций и технологий энергосбережения в обозримом будущем позволит полностью отопить дом солнечной энергией.
Отопление за счет солнечной энергии: миф или правда
Солнце является источником жизни на нашей планете. Солнечная энергия, преобразованная фотосинтезом растений, превратилась в источники ископаемого углеводородного топлива: нефти, газа, угля.
Дрова можно считать возобновляемым источником энергии для отопления. Подставляя лицо солнечным лучам, мы ощущаем тепло. Человека давно волновал вопрос: можно ли использовать энергию солнца для отопления жилища напрямую?
Современные технологии позволяют использовать солнечную энергию для отопления всего дома круглый год. Но, к сожалению, в регионах с холодным климатом такой способ не стал еще экономически эффективным и полностью надежным. Это связано прежде всего с переменной прозрачностью атмосферы из-за облачности.
В результате отопление традиционным топливом все еще дешевле и стабильнее. Но даже в морозных регионах солнечная энергия может стать заметным подспорьем в качестве дополнительного источника тепла в составе комплексной системы обогрева.
Инженеры и ученые постоянно работают над повышением эффективности систем преобразования энергии, улучшением свойств материалов и развитием ресурсосберегающих технологий. Отопление за счет солнца на протяжении жизни одного поколения может превратиться из фантастического мифа в повседневную реальность.
Конструкция солнечных батарей
Солнечная батарея, преобразующая световое излучение в электрический ток, состоит из большого количества фотодиодных элементов. При попадании на поверхность такого элемента солнечного света он начинает генерировать слабый электроток. Для получения технически значимого напряжения и мощности фотоэлементы объединяют в матрицы, состоящие из десятков и сотен ячеек.
Фотоэлементы закреплены на подложке, обеспечивающей коммутацию элементов и механическую прочность конструкции. Сверху элементы закрыты прозрачным защитным слоем, предохраняющим их от воздействия воздуха, ветра, осадков и пыли. Конструкция панели ограничивается прочной рамой, за которую она крепится к кронштейнам или непосредственно к поверхности крыши.
Угол падения солнечных лучей относительно поверхности Земли меняется в течение суток, а также в течение года. Чем ближе этот угол к прямому, тем эффективнее преобразуется световой поток. Бюджетные модели крепятся в фиксированном положении, под углом, позволяющим максимизировать количество тепла за сутки и за год. Более дорогие модели снабжаются моторизованным приводом, поворачивающим панели вслед за солнцем подобно цветку подсолнечника.
Выводы матриц фотоэлементов подключаются к кабелям, соединяющим их с контроллером. Контроллер стабилизирует напряжение с помощью инверторного преобразователя так, что его параметры позволяют питать нагреватели в помещениях и другое потребительское электрооборудование.
Преимущества и недостатки отопления от солнечных батарей
Отопление от солнечных батарей дает владельцу следующие преимущества:
- высокая экологичность, использование возобновляемых источников энергии, снижение нагрузки на окружающую среду;
- независимость от поставщиков энергоресурсов;
- создание собственного запаса энергии (при наличии аккумуляторов);
Присущ таким системам и ряд недостатков:
- цена оборудования;
- сложность эксплуатации, обслуживания и ремонта;
- ограниченный срок службы фотоэлементов;
- нагрузка на окружающую среду переносится от точки потребления в точку производства оборудования.
Экологи отмечают, что на сегодняшний день суммарное загрязнение окружающей среды при производстве фотоэлементов, сплавов, пластмасс и аккумуляторов, входящих в состав гелиосистемы, сопоставимо с загрязнением от локальной углеводородной отопительной установки.
Принцип работы альтернативной системы отопления
Фотопанель - важный, но далеко не единственный необходимый компонент отопительной системы. Необходимы также контроллер, комплект аккумуляторов, инвертор, проводка и электроарматура для подключения к электросети частного дома.
Панель с фотоэлементами
По виду используемых кристаллов панели делятся на три категории:
- Монокристаллические. Все элементы ориентированы в одном направлении. Если правильно расположить такую панель относительно потока солнечных лучей, она будет выдавать максимально возможный ток. Такие панели лучше всего подходят для управляемых моторизованных систем.
- Поликристаллические. Фотоэлементы ориентированы в нескольких направлениях. При изменении угла падения часть элементов оказывается сориентирована близко к оптимальному углу. По мере изменения угла падения оптимально сориентированы становятся другие группы кристаллов. Пиковая мощность такой панели заметно меньше, чем монокристаллической, зато она более постоянна во времени и обеспечивает большую стабильность без поворота всей панели.
- Аморфные. Кристаллы сориентированы произвольно. Такая конструкция оптимальна для преобразования слабого, рассеянного облаками солнечного потока.
Комплект для эксплуатации системы
Чтобы система заработала, к фотопанелям необходимо подключить следующее оборудование:
- соединительные кабели;
- контроллер напряжения: блок, отвечающий за сбор энергии с систем панелей, управление ее распределением и обеспечение стабильности выходного напряжения;
- блок аккумуляторов, запасающий избыточную электроэнергию в солнечное время суток для расходования ее в пасмурную погоду и ночью.
Это сложная инженерная система, для ее эффективной и безопасной работы необходимы навыки проектирования энергосистем и глубокие знания электротехники.
Гибридная система с ветрогенератором
В состав системы солнечного отопления часто включают и ветрогенератор. Такое решение эффективно в ветреных районах: в степях, предгорьях, на побережьях. Использование энергии ветра служит надежным подспорьем в деле отопления жилища.
При работе мощных ветрогенераторов создаются низкочастотные колебания, распространяющиеся по земле и воздуху и негативно влияющие на самочувствие людей, животных и растений.
Коллекторная система отопления с помощью солнечных батарей
Существует еще один способ отапливать жилище с помощью солнечной энергии. Он не связан с двойным преобразованием тепловой энергии излучения в электричество и обратно.
Описание и принцип работы
На солнце располагают батареи прозрачных трубок, по которым циркулирует жидкий теплоноситель. Трубки соединяются в коллекторы, связанные прямым и обратным трубопроводами с домовой системой отопления.
С тыльной стороны трубки покрыты напыленным отражающим слоем для повышения эффективности использования солнечной энергии. Батареи трубок вместе с коллекторами монтируются на панели, с фронтальной стороны закрытые стеклом или прозрачной армированной пленкой для защиты от погодных явлений и механических повреждений.
Жидкость нагревается солнечными лучами, циркуляционный насос подает ее в систему отопления дома. Там нагретый теплоноситель отдает тепло радиаторам или нагревает теплоакуумулятор - большую теплоизолированную емкость с горячей водой. Она будет использоваться для отопления в пасмурную погоду или ночью, когда поступление тепла в коллекторы снизится или прекратится.
Преимущества
Такая гелиосистема обладает следующими преимуществами:
- отсутствие двойного преобразование энергии;
- простота конструкции;
- отсутствие проводки и электрокомпонентов на открытом воздухе;
- долговечность.
К недостаткам конструкции относят:
- громоздкость;
- невозможность поворота коллектора вслед за Солнцем;
- низкая прочность;
- малая эффективность преобразования;
- сложность аккумуляции больших запасов тепла.
Простота конструкции позволяет обслуживать и ремонтировать систему самостоятельно.
Комплектация для коллекторной системы
Для работы системы необходимы следующие узлы и устройства:
- блок солнечных коллекторов;
- управляющий блок, отслеживающий уровень поступающей от коллекторов энергии и управляющий теплоаккумулятором;
- теплоизолированный бак теплоаккумулятора;
- радиаторы и трубопроводы;
- циркуляционный насос.
В районах с холодным климатом необходимо предусмотреть дополнительный источник тепла на случай сильных морозов или продолжительной пасмурной погоды.
Необходимость иметь запасной источник нагрева теплоносителя
Если в регионе наблюдается менее 200 солнечных дней в году, то установка дополнительного источника тепла становится обязательной. Это может быть электрический ТЭН, тепловой насос либо котел на твердом или жидком углеводородном топливе.
Потребуется и арматура коммутации трубопроводов отопительной системы. Она управляется вручную или автоматикой.
Особенности установки солнечных батарей
Для того, чтобы солнечные батареи работали эффективно, необходимо внимательно подойти к выбору места и угла их установки. Поставщики оборудования предлагают таблицы для расчета оптимального угла к горизонту для разных географических широт.
При монтаже на крышу следует выбирать южные скаты. Деревья и другие строения не должны затенять панели. Недавно был начат выпуск так называемой «солнечной черепицы», в которую на заводе встраивают панели фотоэлементов.
Итог: когда оптимально использовать солнечные батареи
Солнечные батареи для отопления дома при сегодняшнем уровне развития технологий и цен на оборудование экономически эффективно применять и летом, и зимой в районах с умеренным и мягким климатом, при наличии не менее 200 солнечных дней в году.
В остальных случаях их можно рассматривать как вспомогательную систему для снижения затрат на энергоносители и сокращения вредных выбросов в атмосферу.
Оригинал статьи + рейтинг лучших моделей тут: https://www.roofkey.ru/blog/otoplenie-doma/solnechnye-batarei-dlya-otopleniya/
