Ogrzewanie prywatnego domu za pomocą paneli słonecznych: schematy i urządzenie

Powody popularności alternatywnych źródeł energii są całkiem zrozumiałe: istnieje możliwość zaoszczędzenia na paliwie i spełnienia marzeń o przyjaznych dla środowiska systemach podtrzymywania życia. Umiejętnie wykorzystując energię słońca, wiatru i wody, możesz zamienić zwykły wiejski dom w nowoczesny eko-dom.

Podpowiemy Ci, jak zainstalować ogrzewanie fotowoltaiczne w prywatnym domu i wspólnie przeanalizujemy, czy jest to opłacalne. Aby dokładnie omówić zagadnienia wykorzystania energii światła dziennego, szczegółowo opisaliśmy wszystkie popularne opcje, które uzyskały praktyczne zastosowanie i pozytywne opinie użytkowników.

Biorąc pod uwagę nasze zalecenia, możesz zbudować efektywny układ fotowoltaiczny dla domu letniskowego lub wiejskiego. Aby ułatwić zrozumienie trudnego materiału, uzupełniliśmy informacje o diagramy wizualne, ilustracje i filmy instruktażowe.

Sposoby wykorzystania energii słonecznej

Metody aplikacji energię ciała niebieskiego nie należą do technologii innowacyjnych, ciepło słoneczne jest wykorzystywane od dawna i z dużym powodzeniem. Dotyczy to jednak głównie Australii, niektórych krajów Europy, Ameryki oraz regionów południowych, gdzie energię alternatywną można pozyskiwać przez cały rok.

W niektórych regionach północnych brakuje naturalnego promieniowania, dlatego jest ono wykorzystywane jako opcja dodatkowa lub rezerwowa.

Pośrednikami pomiędzy promieniami słonecznymi a mechanizmem wytwarzającym energię są panele słoneczne lub kolektory, które różnią się zarówno przeznaczeniem, jak i konstrukcją.

Baterie gromadzą energię słoneczną i pozwalają na jej wykorzystanie do zasilania domowych urządzeń elektrycznych. Są to panele z fotokomórkami z jednej strony i mechanizmem blokującym z drugiej. Można eksperymentować i składać baterię samodzielnie, jednak łatwiej jest kupić gotowe elementy – wybór jest dość szeroki.

Instalacje słoneczne (kolektory słoneczne) stanowią część systemu grzewczego domu. Duże, izolowane termicznie skrzynki z chłodziwem, podobnie jak akumulatory, są montowane na podwyższonych panelach skierowanych w stronę słońca lub połaci dachu.

Błędem jest sądzić, że absolutnie wszystkie regiony północne otrzymują znacznie mniej naturalnego ciepła niż południowe. Załóżmy, że na Czukotce lub w środkowej Kanadzie jest o wiele więcej słonecznych dni niż w Wielkiej Brytanii położonej na południu

Aby zwiększyć efektywność, panele umieszczono na dynamicznych mechanizmach przypominających system śledzący – obracają się wraz z ruchem słońca. Proces konwersji energii odbywa się w rurkach umieszczonych wewnątrz skrzynek.

Główna różnica między systemami fotowoltaicznymi a panelami słonecznymi polega na tym, że te pierwsze podgrzewają chłodziwo, a drugie gromadzą energię elektryczną. Możliwe jest ogrzewanie pomieszczenia za pomocą fotokomórek, ale schematy projektowe są irracjonalne i nadają się tylko do tych obszarów, w których jest co najmniej 200 słonecznych dni w roku.

Schemat instalacji grzewczej z kolektorem słonecznym podłączonym do kotła i rezerwowym źródłem energii elektrycznej (np. kocioł gazowy) zasilanym paliwem tradycyjnym (+)

Plusy i minusy alternatywnego systemu grzewczego

Zalet ogrzewania energią słoneczną nie jest wiele, jednak każda z nich jest istotna i może stać się powodem do prywatnych eksperymentów:

• Korzyści dla środowiska. To czyste źródło ciepła, bezpieczne dla mieszkańców domu i otaczającego go środowiska, nie wymagające stosowania tradycyjnych rodzajów paliw.
• Autonomia. Właściciele systemów są całkowicie niezależni od cen energii i sytuacji gospodarczej w kraju.
• Ekonomiczny. Utrzymując tradycyjny system ogrzewania, możliwe staje się obniżenie kosztów płacenia za zaopatrzenie w ciepłą wodę.
• Dostępność publiczna. Aby zainstalować systemy fotowoltaiczne, nie potrzebujesz pozwolenia organów rządowych.

Ale są też nieprzyjemne momenty, które mogą zepsuć ogólny obraz. Na przykład określenie wydajności systemu będzie wymagało długiego okresu - co najmniej 3 lat (pod warunkiem, że będzie wystarczająca ilość energii słonecznej i będzie ona aktywnie wykorzystywana).

Sama instalacja modułów słonecznych będzie wymagała dużych inwestycji: najtańsze panele krzemowe będą kosztować co najmniej 2200 rubli. za sztukę, a polikrystaliczne elementy sześciodiodowe pierwszej kategorii - do 17 000 za sztukę. Obliczenie kosztu 30 modułów jest dość proste (+)

Użytkownicy zauważają następujące wady:

• wysokie ceny sprzętu niezbędnego do uruchomienia systemu;
• bezpośrednia zależność ilości wytwarzanego ciepła od położenia geograficznego i pogody;
• obowiązkowa obecność źródła rezerwowego, na przykład kotła gazowego (w praktyce często rezerwowym jest instalacja fotowoltaiczna).

Aby osiągnąć większe zyski, należy regularnie monitorować stan kolektorów, czyścić je z zanieczyszczeń i chronić przed tworzeniem się lodu podczas mrozów. Jeśli temperatura często spada poniżej 0°C, należy zadbać o dodatkową izolację termiczną nie tylko elementów instalacji fotowoltaicznej, ale także całego domu.

Energia słoneczna do ogrzewania

Głównym celem ogniw fotowoltaicznych magazynujących energię jest dostarczanie energii elektrycznej do domu. Aby uwzględnić je na schemacie urządzenia systemu grzewczego i dla uzyskania optymalnego funkcjonowania konieczne jest zmontowanie obwodu ze zbiornikiem akumulacyjnym.

To w nim podgrzewana będzie woda, która po osiągnięciu określonej temperatury wypełni rury i grzejniki w pomieszczeniach wymagających ogrzewania (salon, łazienka).

System zasilany energią słoneczną, z dwuobiegowym zbiornikiem, który organizuje ogrzewanie i dostarczanie ciepłej wody w dwóch kierunkach: do grzejników i do punktów dystrybucji (+)

Spróbujmy przeanalizować cechy konstrukcyjne paneli słonecznych i określić ich potencjalną rolę w systemie grzewczym.

Zasada działania paneli z fotokomórkami

Istnieją trzy popularne typy elementów paneli słonecznych:

• Monokrystaliczny. Są to cienkie wafle z najczystszego krzemu, wycięte z kryształu wyhodowanego w sztucznych warunkach. Najbardziej produktywna odmiana o wydajności około 17-18%. Optymalna temperatura pracy wynosi od 5 ° C do 25 ° C.

• Polikrystaliczny. Wykonany z wafli otrzymywanych w wyniku stopniowego chłodzenia stopionego krzemu. Technologia ich produkcji jest mniej pracochłonna, ale wydajność elementów fotowoltaicznych wykonanych z polikrystalicznego jest znacznie niższa - nie więcej niż 12%.

• Amorficzny. Są filmowe. Wytwarzany metodą fazy odparowania, w wyniku której krzem w postaci cienkiej warstwy osadza się na elastycznym podłożu polimerowym. Najtańsza metoda produkcji łączy się z niską produktywnością, szacowaną na nawet 7%.

W przypadku instalacji autonomicznych systemów grzewczych w regionach północnych rozważana jest najbardziej odpowiednia opcja baterie fotowoltaiczne, zmontowane z elementów monokrystalicznych. Baterie z modułami amorficznymi są jednak łatwiejsze w montażu, praktycznie nie wymagają podstawy i są znacznie tańsze.

Moduł monokrystaliczny składa się z połączonych szeregowo elementów połączonych w moduły. Kilka modułów tworzy baterię słoneczną.Ciemna powierzchnia systemów fotowoltaicznych optymalizuje absorpcję promieni słonecznych

Zadaniem elementów zewnętrznych jest pochłanianie i przekształcanie promieni słonecznych. Uwolniona energia idzie dalej i jest skupiana w zbiorniku magazynującym. Mały element wytwarza około 100-250 W, a prefabrykowany panel o powierzchni 25-30 m² dostarcza prąd do małego domu. Zainstalowanie systemu grzewczego będzie wymagało 2-3 razy więcej energii.

Falownik działa jak konwerter prądu stałego z „produkcji” energii słonecznej na energię elektryczną, ponieważ do działania domowych urządzeń elektrycznych i lamp potrzebny jest prąd przemienny.

Jeśli mówimy konkretnie o systemie grzewczym, kocioł elektryczny do podgrzewania wody działa również na prąd przemienny. Aby zapewnić oświetlenie domu w nocy, będziesz potrzebować baterii przechowujących zapasy dzienne.

Moduły inwertera instalowane są w miejscu dogodnym do konserwacji, choć nie wymaga stałej kontroli i pracuje w trybie automatycznym (+)

Efektywność wykorzystania fotokomórek

Najłatwiej kupić kolektory słoneczne i zastosuj jeden z prostych, sprawdzonych przez lata schematów. Czasami jednak okoliczności dyktują własne warunki. Załóżmy, że masz świetnie działający system generatora słonecznego, ale na razie służy on jedynie do dostarczania prądu i ciepłej wody do Twojego domu.

Wiadomo, że zakup nowego sprzętu jest nieopłacalny, dlatego łatwiej jest zwiększyć moc kupując określoną liczbę przetworników fotoelektrycznych. Opcja budżetowa - panele krzemowe o wydajności do 23-25%.

Konieczne jest podłączenie urządzenia grzewczego zasilanego energią elektryczną do źródła prądu.Uniwersalną opcją jest kocioł wyposażony w okablowanie dystrybucyjne.

Elementy folii polimerowej są znacznie mniej powszechne na rynku rosyjskim niż krzemowe mono- i polikrystaliczne analogi. Są łatwe w montażu, ale mają niską wydajność - tylko 6%

Jeśli zaopatrzenie w energię elektryczną jest odpowiednio zorganizowane, powinno wystarczyć zarówno do zaopatrzenia w ciepłą wodę, jak i do ogrzewania. Istnieją przykłady, gdy dom jest w pełni ogrzany - można to rozpoznać po dachu, prawie w całości pokrytym panelami.

Czasami konieczne jest wzniesienie specjalnych konstrukcji wolnostojących, jeśli powierzchnia dachu nie jest wystarczająca. Okazuje się, że aby zwiększyć moc, potrzebna jest dodatkowa wolna przestrzeń.

Nawet najdokładniejsze obliczenia nie pomogą w ustaleniu dokładnej ilości energii potencjalnej i szybkim stworzeniu efektywnego, dobrze działającego układu. Faktem jest, że w praktyce pojawiają się przeszkody, których pojawienie się jest dość trudne do przewidzenia.

Oto niektóre z czynników:

• Niezgodność pogody. Dokładna liczba dni słonecznych nie jest znana nawet w regionach południowych. Niemal niemożliwe jest wiarygodne przewidzenie ich liczby w regionach północnych.
• Nieregularność odbioru prądu. Na przykład w regionach północnych zimą światło dzienne jest krótkie, więc dużo odzyskanej energii słonecznej jest wydawane na oświetlenie. Ponadto intensywność promieniowania słonecznego w okresie zimowym znacznie maleje.
• Okresowe awarie. Jak wszystkie systemy techniczne, panele fotowoltaiczne mogą czasem ulec awarii na skutek uszkodzenia poszczególnych elementów, połączeń kontraktowych, powierzchni ochronnych itp.

W związku z tym o skuteczności można przekonać się dopiero po pewnym czasie, przynajmniej po roku. Może zaistnieć konieczność zwiększenia ilości fotokomórek lub akumulatorów, rozważenia dodatkowej izolacji termicznej domu i zmniejszenia powierzchni ogrzewanej. Załóżmy, że w północnych regionach Niemiec, aby zaoszczędzić pieniądze, sypialnie często w ogóle nie są ogrzewane.

Konserwacja zainstalowanych fotokomórek nie wymaga specjalnych umiejętności i polega na regularnym czyszczeniu: usuwaniu śniegu zimą i zanieczyszczeń w okresach ciepłych, myciu powierzchni szyby wodą z węża

Schemat instalacji domowej elektrowni

Najłatwiejszy sposób instalacje generatorów słonecznych – skontaktowanie się z firmą sprzedającą komponenty systemowe i oferującą usługi instalacyjne. Plusy - profesjonalny projekt uwzględniający indywidualne cechy, gwarancja na wszystkie produkty i instalację, minus - wysoki koszt.

Jeśli masz odpowiednie doświadczenie, możesz samodzielnie zamontować minielektrownię z panelami słonecznymi do ogrzewania prywatnego domu.

Za najbardziej efektywny uważa się hybrydowy schemat projektowania układu powietrzno-słonecznego, w którym do wytwarzania energii wykorzystywane są fotokomórki, kolektory do podgrzewania wody oraz instalowany jest dodatkowy generator wiatrowy. Można go zastąpić zapasowym źródłem paliwa (+)

Wszystkie części do montażu systemu grzewczego sprzedawane są w wyspecjalizowanych sklepach.

Należy zakupić następujące komponenty:

• zestaw krzemowych lub foliowych modułów słonecznych;
• akumulator, który magazynuje energię;
• kontroler ładowania regulujący proces ładowania i rozładowywania akumulatora;
• falownik przetwarzający prąd stały na prąd przemienny;
• komplet kabli połączeniowych.

Pożądane jest, aby akumulatory były takie same (biorąc pod uwagę markę, pojemność, a nawet partię) i mogły magazynować energię przez 3-4 dni. Czas ich działania zależy od temperatury w pomieszczeniu - w niskich temperaturach szybko się rozładowują. Jeżeli dzienne zużycie wynosi 2400 Wh, wymagane są akumulatory o łącznej pojemności co najmniej 1000 Ah.

Korzystając z akumulatorów samochodowych, należy pamiętać, że ich maksymalna wydajność wynosi 70-75% (żywotność - 3 lata), najlepszą wydajność mają specjalne urządzenia do systemów fotowoltaicznych - aż do 85% (żywotność - 10 lat). Część energii jest tracona podczas magazynowania i konwersji

Jakość prądu wytwarzanego przez sinusoidę falowniki do systemów fotowoltaicznych, wyższe niż obecne wskaźniki z sieci scentralizowanej. Cechą szczególną urządzenia jest synchronizacja fazy napięcia, w której przejście z 12 V na 220 V odbywa się bez przerwy w funkcjonowaniu domowych urządzeń elektrycznych.

Moc falownika – od 250 W do 6000 W i więcej. Moc wyjściową można zwiększyć łącząc kilka urządzeń równolegle. Na przykład 3 x 3000 W = 9000 W (+)

Po zamontowaniu wszystkich elementów układu fotowoltaicznego należy podłączyć zbiornik elektryczny podgrzewający wodę do falownika, a do zbiornika z kolei rurociąg grzewczy.

System ogrzewania kolektora

Największą efektywność i zwrot można osiągnąć instalując zamiast modułów fotowoltaicznych kolektory – instalacje zewnętrzne, w których woda podgrzewana jest pod wpływem promieniowania słonecznego. Taki system jest bardziej logiczny i naturalny, ponieważ nie wymaga podgrzewania chłodziwa przez inne urządzenia.

Rozważmy konstrukcję i zasadę działania dwóch głównych typów urządzeń: płaskiego i rurowego.

Wersja płaska do własnej produkcji

Projektowanie instalacji płaskich jest tak proste, że doświadczeni rzemieślnicy własnoręcznie montują odpowiedniki rękodzieła, kupując część części w specjalistycznym sklepie, a część konstruując ze złomu.

Wewnątrz izolowanej skrzynki stalowej lub aluminiowej znajduje się płyta pochłaniająca ciepło słoneczne. Najczęściej pokrywany jest warstwą czarnego chromu. Absorber ciepła jest chroniony od góry szczelną przezroczystą pokrywą.

Ogrzewanie wody następuje w rurkach ułożonych wężowo i połączonych z płytą. Woda lub środek przeciw zamarzaniu dostaje się do skrzynki przez rurę wlotową, nagrzewa się w rurach i przemieszcza się do wylotu - do rury wylotowej.

Przepuszczalność światła osłony wynika z zastosowania przezroczystego materiału - trwałego szkła hartowanego lub tworzywa sztucznego (na przykład poliwęglanu). Aby zapobiec odbijaniu się promieni słonecznych, powierzchnia szklana lub plastikowa jest matowa (+)

Istnieją dwa rodzaje połączeń, jednorurowe i dwururowe, nie ma zasadniczej różnicy w wyborze. Istnieje jednak duża różnica w sposobie dostarczania chłodziwa do kolektorów – grawitacyjnie lub za pomocą pompy. Pierwszą opcję uważa się za nieskuteczną ze względu na małą prędkość przepływu wody, zgodnie z zasadą ogrzewania przypomina pojemnik na letni prysznic.

Działanie drugiej opcji następuje dzięki podłączeniu pompy obiegowej, która na siłę dostarcza płyn chłodzący. Źródłem energii do pracy urządzeń pompujących może być system zasilania energią słoneczną.

Temperatura płynu chłodzącego po podgrzaniu przez kolektor słoneczny osiąga 45-60 ºС, na wylocie maksymalna wartość wynosi 35-40 ºС. Aby zwiększyć efektywność systemu grzewczego, stosuje się „ciepłe podłogi” wraz z grzejnikami (+)

Kolektory rurowe – rozwiązanie dla regionów północnych

Ogólna zasada działania przypomina działanie płaskich analogów, ale z jedną różnicą - rurki wymiany ciepła z chłodziwem znajdują się wewnątrz szklanych kolb. Same rurki mogą być piórowe, uszczelnione z jednej strony i przypominające wyglądem pióra oraz współosiowe (próżniowe), włożone w siebie i uszczelnione po obu stronach.

Wymienniki ciepła są również różne:

• system przetwarzania energii słonecznej na energię cieplną Heat-pipe;
• zwykła rurka do przesyłu chłodziwa typu U.

Drugi typ wymiennika ciepła jest uważany za bardziej wydajny, ale nie jest wystarczająco popularny ze względu na koszty napraw: w przypadku awarii jednej rury konieczna będzie wymiana całej sekcji.

Rurka cieplna nie jest częścią całego segmentu, dlatego można ją wymienić w ciągu 2-3 minut. Uszkodzone elementy koncentryczne można naprawić, po prostu wyjmując wtyczkę i wymieniając uszkodzony kanał.

Schemat objaśniający cykliczny proces nagrzewania wewnątrz lamp próżniowych: zimna ciecz pod wpływem ciepła słonecznego nagrzewa się i paruje, ustępując miejsca kolejnej porcji zimnego chłodziwa (+)

Po przeanalizowaniu właściwości technicznych różnych typów kolektorów i podsumowaniu doświadczeń z ich użytkowania zdecydowaliśmy, że dla regionów południowych bardziej odpowiednie są kolektory płaskie, a dla regionów północnych kolektory rurowe. Instalacje z systemem Heat-pipe sprawdziły się szczególnie dobrze w trudnych warunkach klimatycznych.Mają zdolność ogrzewania nawet w pochmurne dni i w nocy, „żywiąc się” minimalną ilością światła słonecznego.

Przykładowy standardowy schemat podłączenia kolektorów słonecznych do urządzeń kotłowych: przepompownia cyrkuluje wodę, sterownik reguluje proces ogrzewania

Sposób na zwiększenie produktywności

Zwykle po eksperymentach z niewielką liczbą modułów fotowoltaicznych właściciele prywatnych domów idą dalej i ulepszają system na różne sposoby.

Najprostszym sposobem jest odpowiednie zwiększenie liczby modułów, przyciągnięcie dodatkowej przestrzeni do ich umieszczenia i zakup powiązanego sprzętu o większej mocy

Co zrobić, jeśli brakuje wolnego miejsca? Oto kilka zaleceń dotyczących zwiększenia wydajności stacji fotowoltaicznej (z fotokomórkami lub kolektorami):

• Zmiana orientacji modułów. Ruchome elementy względem położenia słońca. Mówiąc najprościej, instalowanie większości paneli po stronie południowej. Podczas długich godzin dziennych optymalne jest również wykorzystanie powierzchni skierowanych na wschód i zachód.

• Regulacja kąta pochylenia. Producent zwykle wskazuje, który kąt jest najbardziej preferowany (na przykład 45°), ale czasami podczas instalacji konieczne jest dokonanie regulacji biorąc pod uwagę szerokość geograficzną.

• Właściwy wybór miejsca instalacji. Dach jest odpowiedni, ponieważ jest najczęściej najwyższą płaszczyzną i nie jest zasłonięty przez inne przedmioty (na przykład drzewa ogrodowe). Ale są jeszcze bardziej odpowiednie obszary - obrotowe urządzenia śledzące słońce.

Gdy elementy są ustawione prostopadle do promieni słońca, system działa wydajniej, ale na stabilnym podłożu (np. dachu) jest to możliwe tylko przez krótki czas. Aby to zwiększyć, wynaleziono praktyczne urządzenia śledzące.

Mechanizmy śledzące to dynamiczne platformy, które obracają się wraz ze swoimi płaszczyznami podążającymi za słońcem. Dzięki nim wydajność generatora wzrasta latem o około 35-40%, a zimą o 10-12%.

Dużą wadą urządzeń śledzących jest ich wysoki koszt. W niektórych przypadkach się to nie opłaca, więc nie ma sensu inwestować w bezużyteczne mechanizmy.

Szacuje się, że 8 paneli to minimalna liczba, przy której koszty będą uzasadnione w czasie. Można zastosować 3-4 moduły, ale pod jednym warunkiem: jeśli są podłączone bezpośrednio do pompy wodnej, z pominięciem akumulatorów.

Któregoś dnia Tesla Motors ogłosiła stworzenie nowego rodzaju dachu – ze zintegrowanym panele słoneczne. Elon Musk powiedział, że zmodyfikowany dach będzie tańszy niż konwencjonalny dach z zamontowanymi na nim kolektorami lub modułami.

Wnioski i przydatne wideo na ten temat

Filmy tematyczne pomogą Ci lepiej wyobrazić sobie projekt domowych stacji fotowoltaicznych i odkryją niektóre tajniki instalowania sprzętu.

Wideo nr 1. Dostępne informacje techniczne dotyczące paneli słonecznych i kontrolerów ładowania:

Wideo nr 2. Przydatne doświadczenie w korzystaniu z paneli słonecznych w regionie moskiewskim:

Wideo nr 3. Przykład skutecznie działającej stacji solarnej, całkowicie zmontowanej samodzielnie, zapewniającej zarówno zaopatrzenie w ciepłą wodę, jak i ogrzewanie domu:

Jak widać instalacja grzewcza wykorzystująca energię słoneczną to bardzo realne zjawisko, które można wdrożyć samodzielnie. Dziedzina alternatywnych metod pozyskiwania energii stale się rozwija, być może już jutro usłyszycie o nowym odkryciu.

Zapraszamy do aktywnego komentowania materiału. Możesz wyrazić swój stosunek do „zielonej energii”, podzielić się swoim doświadczeniem w montażu systemu paneli słonecznych i opowiedzieć tylko sobie o znanych subtelnościach w bloku znajdującym się poniżej.