Vytápění soukromého domu solárními panely: schémata a zařízení

Důvody popularity alternativních zdrojů energie jsou zcela pochopitelné: existuje příležitost ušetřit na palivu a uskutečnit sny o systémech podpory života šetrných k životnímu prostředí. Šikovným využitím energie slunce, větru a vody proměníte obyčejný venkovský dům v moderní ekodům.

Řekneme vám, jak nainstalovat solární vytápění v soukromém domě, a budeme s vámi analyzovat, jak je to ziskové. Abychom důkladně pokryli problematiku využívání energie denního světla, podrobně jsme popsali všechny oblíbené možnosti, které získaly praktické uplatnění a pozitivní uživatelské recenze.

S ohledem na naše doporučení můžete vybudovat efektivní solární systém pro letní dům nebo venkovský dům. Aby byla obtížná látka srozumitelnější, doplnili jsme informace o názorná schémata, ilustrace a videonávody.

Způsoby využití solární energie

Způsoby aplikace energie nebeského tělesa nepatří k inovativním technologiím, solární teplo se využívá již dlouho a velmi úspěšně. Týká se to však především Austrálie, některých zemí Evropy, Ameriky a jižních oblastí, kde lze alternativní energii získávat po celý rok.

Některé severní regiony postrádají přirozené záření, takže se používá jako doplňková nebo záložní varianta.

Prostředníky mezi slunečními paprsky a mechanismem generujícím energii jsou solární panely nebo kolektory, které se liší jak účelem, tak designem.

Baterie akumulují sluneční energii a umožňují ji využít k napájení domácích elektrických spotřebičů. Jsou to panely s fotobuňkami na jedné straně a uzamykacím mechanismem na straně druhé. Můžete experimentovat a sestavit baterii sami, ale je jednodušší koupit hotové prvky - výběr je poměrně široký.

Solární systémy (solární kolektory) jsou součástí topného systému domu. Velké tepelně izolované boxy s chladicí kapalinou, jako jsou baterie, jsou namontovány na zvýšených panelech směřujících ke slunci nebo ke svahům střechy.

Je mylné se domnívat, že absolutně všechny severní regiony dostávají mnohem méně přirozeného tepla než jižní. Předpokládejme, že na Čukotce nebo ve střední Kanadě je mnohem více slunečných dnů než ve Velké Británii na jihu

Pro zvýšení účinnosti jsou panely umístěny na dynamických mechanismech připomínajících sledovací systém – otáčejí se podle pohybu slunce. Proces přeměny energie probíhá v trubicích umístěných uvnitř krabic.

Hlavní rozdíl mezi solárními systémy a solárními panely je v tom, že první ohřívají chladicí kapalinu a druhé akumuluje elektřinu. Je možné vytápět místnost pomocí fotobuněk, ale návrhová schémata jsou iracionální a jsou vhodná pouze pro ty oblasti, kde je alespoň 200 slunečných dní v roce.

Schéma topného systému se solárním kolektorem napojeným na kotel a záložním zdrojem elektřiny (například plynový kotel) na klasické palivo (+)

Klady a zápory alternativního systému vytápění

Výhod solárního systému není mnoho, ale každá z nich je významná a může se stát důvodem pro soukromé experimenty:

• Environmentální přínosy. Jedná se o čistý zdroj tepla, který je bezpečný pro obyvatele domu i okolní prostředí a nevyžaduje použití tradičních druhů paliv.
• Autonomie. Vlastníci soustav jsou absolutně nezávislí na cenách energií a ekonomické situaci v zemi.
• Hospodárný. Zachováním tradičního systému vytápění je možné snížit náklady na placení za dodávku teplé vody.
• Veřejná dostupnost. K instalaci solárních systémů nepotřebujete povolení od vládních úřadů.

Najdou se ale i nepříjemné momenty, které mohou celkový obraz zkazit. Například stanovení účinnosti systému bude vyžadovat dlouhé období – minimálně 3 roky (za předpokladu, že je dostatek solární energie a je aktivně využívána).

Samotná instalace solárních modulů bude vyžadovat velké investice: nejlevnější křemíkové panely budou stát nejméně 2 200 rublů. za kus a polykrystalické šestidiodové prvky první kategorie - až 17 000 za kus. Výpočet nákladů na 30 modulů je poměrně jednoduchý (+)

Uživatelé berou na vědomí následující nevýhody:

• vysoké ceny za vybavení nutné k uvedení systému do provozu;
• přímá závislost množství vyrobeného tepla na geografické poloze a počasí;
• povinná přítomnost záložního zdroje, například plynového kotle (v praxi je často záložní solární systém).

Abyste dosáhli větší návratnosti, musíte pravidelně sledovat provozuschopnost kolektorů, čistit je od nečistot a chránit je před tvorbou ledu během mrazů. Pokud teplota často klesá pod 0ºC, musíte se postarat o dodatečnou tepelnou izolaci nejen prvků solárního systému, ale i domu jako celku.

Solární energie pro vytápění

Hlavním účelem fotovoltaických článků akumulujících energii je dodávat elektřinu do domácnosti. Zahrnout je do diagramu zařízení topného systému a pro dosažení optimálního fungování je nutné sestavit okruh s akumulační nádrží.

V něm se bude ohřívat voda, která po dosažení určité teploty naplní potrubí a radiátory v místnostech, které vyžadují vytápění (obývací pokoj, koupelna).

Systém napájený solární energií, s dvouokruhovou nádrží, která organizuje vytápění a dodávku teplé vody ve dvou směrech: do topných radiátorů a do distribučních bodů (+)

Pokusme se analyzovat konstrukční vlastnosti solárních panelů a určit jejich potenciální roli v topném systému.

Princip činnosti panelů s fotobuňkami

Existují tři běžné typy prvků pro solární panely:

• Monokrystalický. Jedná se o tenké destičky z nejčistšího křemíku, vybroušené z krystalu pěstovaného v umělých podmínkách. Nejproduktivnější odrůda s účinností cca 17-18%. Optimální teplota pro provoz je od 5 ºС do 25 ºС.

• Polykrystalický. Vyrobeno z waferů získaných postupným chlazením křemíkové taveniny. Technologie jejich výroby je méně pracná, ale účinnost fotovoltaických prvků vyrobených z polykrystalu je výrazně nižší – ne více než 12 %.

• Amorfní. Jsou filmové. Vyrobeno metodou odpařovací fáze, v důsledku čehož je křemík ve formě tenkého filmu nanesen na flexibilní polymerní základ. Nejlevnější výrobní metoda je kombinována s nízkou produktivitou, která se odhaduje až na 7 %.

Pro instalaci autonomních topných systémů v severních oblastech se zvažuje nejvhodnější možnost fotovoltaické baterie, sestavené z monokrystalických prvků. Baterie s amorfními moduly se však snadněji instalují, prakticky nevyžadují základnu a jsou mnohem levnější.

Monokrystalický modul se skládá ze sériově zapojených prvků spojených do modulů. Několik modulů tvoří solární baterii.Tmavý povrch solárních fotovoltaických systémů optimalizuje absorpci slunečních paprsků

Úkolem vnějších prvků je pohlcovat a přetvářet sluneční paprsky. Uvolněná energie jde dále a koncentruje se v akumulační nádrži. Malý prvek produkuje asi 100-250 W a prefabrikovaný panel o velikosti 25-30 m² dodává elektřinu malému domu. Instalace topného systému bude vyžadovat 2-3krát více energie.

Střídač funguje jako měnič stejnosměrného proudu ze solární „výroby“ na elektřinu, protože střídavý proud je nutný pro provoz domácích elektrických spotřebičů a lamp.

Pokud mluvíme konkrétně o topném systému, elektrický kotel na ohřev vody běží také na střídavý proud. Chcete-li zajistit světlo ve vašem domě v noci, budete potřebovat baterie, které uchovávají denní zásoby.

Invertorové moduly jsou instalovány na místě vhodném pro údržbu, i když nevyžaduje neustálou kontrolu a pracuje v automatickém režimu (+)

Efektivita použití fotobuněk

Nejjednodušší na nákup sluneční kolektory a aplikujte jedno z léty ověřených jednoduchých schémat. Okolnosti si však někdy diktují své vlastní podmínky. Řekněme, že máte skvěle fungující systém solárního generátoru, který ale zatím slouží pouze k dodávce elektřiny a teplé vody do vašeho domova.

Je jasné, že nákup nového zařízení je nerentabilní, takže je snazší zvýšit výkon zakoupením určitého počtu fotoelektrických konvertorů. Možnost rozpočtu - silikonové panely s produktivitou až 23-25%.

Ke zdroji proudu je nutné připojit topné zařízení, které běží na elektřinu.Univerzální možností je kotel vybavený rozvodnou elektroinstalací.

Prvky polymerního filmu jsou na ruském trhu mnohem méně běžné než křemíkové mono- a polykrystalické analogy. Snadno se instalují, ale mají nízkou účinnost - pouze 6%

Pokud je dodávka elektřiny správně organizována, měla by stačit jak pro zásobování teplou vodou, tak pro vytápění. Jsou příklady, kdy je dům plně vytápěn – pozná se to podle střechy, téměř celé pokryté panely.

Někdy je nutné postavit speciální volně stojící konstrukce, pokud plocha střechy nestačí. Ukazuje se, že pro zvýšení výkonu je zapotřebí další volné místo.

Ani ty nejpečlivější výpočty vám nepomohou určit přesné množství potenciální energie a rychle vytvořit efektivní, dobře fungující systém. Faktem je, že v praxi vznikají překážky, jejichž vzhled je poměrně obtížné předvídat.

Zde jsou některé z faktorů:

• Nekonzistence počasí. Přesný počet slunečných dnů není znám ani v jižních oblastech. Je téměř nemožné spolehlivě předpovědět jejich počet v severních oblastech.
• Nepravidelnost příjmu elektřiny. Například v severních oblastech je v zimě krátké denní světlo, takže hodně recyklované sluneční energie se spotřebuje na osvětlení. Intenzita slunečního záření v zimě navíc výrazně klesá.
• Periodické výpadky. Jako všechny technické systémy mohou i solární panely čas od času selhat v důsledku poškození jednotlivých prvků, smluvních spojů, ochranných povrchů atd.

O účinnosti se tedy můžete dozvědět až po určité době, minimálně po roce. Možná bude nutné zvýšit počet fotočlánků nebo baterií, zvážit dodatečnou tepelnou izolaci domu a snížit vytápěnou plochu. Předpokládejme, že v severních oblastech Německa nejsou ložnice často vůbec vytápěny, aby se ušetřilo.

Údržba instalovaných fotobuněk nevyžaduje speciální dovednosti a spočívá v pravidelném čištění: odstraňování sněhu v zimě a nečistot v teplých obdobích, mytí skleněného povrchu vodou z hadice

Schéma instalace domácí elektrárny

Nejjednodušší způsob instalace solárních generátorů – kontaktování společnosti, která prodává systémové komponenty a nabízí instalační služby. Pros - profesionální projekt zohledňující individuální vlastnosti, záruka na všechny produkty a instalaci, mínus - vysoké náklady.

Pokud máte relevantní zkušenosti, můžete nezávisle sestavit minielektrárnu se solárními panely pro vytápění soukromého domu.

Za nejúčinnější je považováno hybridní schéma pro návrh vzducho-solárního systému, ve kterém se využívají fotobuňky k výrobě energie, kolektory pro ohřev vody a je instalován přídavný větrný generátor. Může být nahrazen záložním zdrojem paliva (+)

Všechny díly pro montáž topného systému se prodávají ve specializovaných prodejnách.

Musíte zakoupit následující komponenty:

• sada křemíkových nebo filmových solárních modulů;
• dobíjecí baterie, která uchovává energii;
• regulátor nabíjení, který reguluje proces nabíjení a vybíjení baterie;
• invertor, který převádí stejnosměrný proud na střídavý;
• sada propojovacích kabelů.

Je žádoucí, aby baterie byly stejné (s přihlédnutím ke značce, kapacitě a dokonce i šarži) a byly schopny uchovat energii po dobu 3-4 dnů. Doba jejich provozu závisí na teplotě v místnosti - v chladných podmínkách se rychle vybíjí. Při denní spotřebě 2400 Wh jsou potřeba baterie s celkovou kapacitou minimálně 1000 Ah.

Při použití autobaterií pamatujte, že jejich maximální účinnost je 70-75% (životnost - 3 roky), speciální zařízení pro solární systémy mají nejlepší výkon - až 85% (životnost - 10 let). Během skladování a přeměny se ztrácí určitá energie

Kvalita proudu produkovaného sinusovým průběhem Invertory pro solární systémy, vyšší než aktuální ukazatele z centralizované sítě. Zvláštností zařízení je synchronizace napěťové fáze, ve které se přechod z 12 V na 220 V provádí bez přerušení fungování domácích elektrických spotřebičů.

Výkon měniče – od 250 W do 6000 W a výše. Výstupní výkon můžete zvýšit paralelním připojením několika zařízení. Například 3 x 3000 W = 9000 W (+)

Po instalaci všech prvků solárního systému je nutné k střídači připojit elektrický zásobník, který ohřívá vodu, a k zásobníku zase topné potrubí.

Kolektorový topný systém

Největší účinnosti a návratnosti lze dosáhnout instalací kolektorů místo solárních modulů – externích instalací, ve kterých dochází k ohřevu vody vlivem slunečního záření. Takový systém je logičtější a přirozenější, protože nevyžaduje ohřev chladicí kapaliny jinými zařízeními.

Zvažme konstrukci a princip fungování dvou hlavních typů zařízení: plochých a trubkových.

Plochá verze pro vlastní výrobu

Design plochých instalací je tak jednoduchý, že zkušení řemeslníci sestavují řemeslné analogy vlastníma rukama, některé díly nakupují ve specializovaném obchodě a některé konstruují ze šrotu.

Uvnitř ocelové nebo hliníkové izolované krabice je deska, která absorbuje sluneční teplo. Nejčastěji je potažen vrstvou černého chromu. Absorbér tepla je nahoře chráněn utěsněným průhledným krytem.

Voda se ohřívá v hadovitě uspořádaných hadicích spojených s deskou. Voda nebo nemrznoucí směs vstupuje do krabice přes vstupní potrubí, ohřívá se v trubkách a pohybuje se na výstupu - do výstupního potrubí.

Světelná propustnost krytu je vysvětlena použitím průhledného materiálu - odolného tvrzeného skla nebo plastu (například polykarbonát). Aby se zabránilo odrazu slunečních paprsků, je povrch skla nebo plastu matný (+)

Existují dva typy připojení, jednotrubkové a dvoutrubkové, ve výběru není zásadní rozdíl. Velký rozdíl je ale ve způsobu, jakým bude chladicí kapalina přiváděna do kolektorů – gravitačně nebo pomocí čerpadla. První možnost je považována za neúčinnou kvůli nízké rychlosti pohybu vody, podle principu ohřevu připomíná nádobu na letní sprchu.

K fungování druhé možnosti dochází díky připojení oběhového čerpadla, které násilně dodává chladicí kapalinu. Zdrojem energie pro provoz čerpacího zařízení může být solární energetický systém.

Teplota chladicí kapaliny při ohřevu solárním kolektorem dosahuje 45-60 ºС, na výstupu je maximální hodnota 35-40 ºС. Pro zvýšení účinnosti topného systému se používají „teplé podlahy“ spolu s radiátory (+)

Trubkové kolektory - řešení pro severní regiony

Obecný princip činnosti připomíná fungování plochých analogů, ale s jedním rozdílem - uvnitř skleněných baněk jsou umístěny teplosměnné trubky s chladicí kapalinou. Samotné trubky mohou být péřové, jednostranně zatavené a vzhledem připomínající peříčka, a koaxiální (vakuové), vložené do sebe a oboustranně utěsněné.

Výměníky tepla se také liší:

• systém pro přeměnu sluneční energie na tepelnou energii Heat-pipe;
• běžná přenosová trubka chladicí kapaliny typu U.

Druhý typ výměníku tepla je považován za efektivnější, ale není dostatečně populární kvůli nákladům na opravy: pokud jedna trubka selže, bude muset být vyměněna celá sekce.

Heat-pipe není součástí celého segmentu, takže ji lze vyměnit za 2-3 minuty. Vadné koaxiální prvky lze opravit jednoduchým odstraněním zástrčky a výměnou poškozeného kanálu.

Diagram vysvětlující proces cyklického zahřívání uvnitř vakuových trubic: studená kapalina se vlivem slunečního tepla zahřívá a odpařuje, přičemž ustupuje další části studené chladicí kapaliny (+)

Po analýze technických vlastností různých typů kolektorů a shrnutí zkušeností s jejich používáním jsme se rozhodli, že ploché kolektory jsou vhodnější pro jižní oblasti a trubkové jsou vhodnější pro severní oblasti. Instalace se systémem Heat-pipe se osvědčily zvláště v drsných klimatických podmínkách.Mají zahřívací schopnost i v zatažených dnech a v noci, „živí se“ minimálním množstvím slunečního záření.

Ukázka standardního schématu připojení solárních kolektorů k zařízení kotle: čerpací stanice cirkuluje vodu, regulátor reguluje proces ohřevu

Metoda pro zvýšení produktivity

Obvykle po experimentování s malým počtem solárních modulů jdou majitelé soukromých domů dále a systém různými způsoby vylepšují.

Nejjednodušší způsob je zvýšit počet zapojených modulů, přilákat další prostor pro jejich umístění a zakoupit výkonnější související vybavení

Co dělat, když je nedostatek volného místa? Zde je několik doporučení pro zvýšení účinnosti solární stanice (s fotobuňkami nebo kolektory):

• Změna orientace modulů. Pohybující se prvky vzhledem k poloze slunce. Jednoduše řečeno, instalace většiny panelů na jižní straně. Během dlouhého denního světla je také optimální použít plochy orientované na východ a západ.

• Nastavení úhlu sklonu. Výrobce obvykle uvádí, který úhel je nejvýhodnější (například 45º), ale někdy je během instalace nutné provést úpravy s ohledem na zeměpisnou šířku.

• Správná volba místa instalace. Střecha je vhodná, protože je nejčastěji nejvyšší rovinou a není zakryta jinými předměty (například zahradními stromy). Existují ale ještě vhodnější oblasti - rotující zařízení pro sledování slunce.

Když jsou prvky umístěny kolmo na sluneční paprsky, systém funguje efektivněji, ale na stabilním povrchu (například na střeše) je to možné jen po krátkou dobu. Aby se to zvýšilo, byla vynalezena praktická sledovací zařízení.

Sledovací mechanismy jsou dynamické platformy, které rotují svými rovinami za sluncem. Díky nim se v létě zvyšuje produktivita generátoru o 35-40% a v zimě o 10-12%.

Velkou nevýhodou sledovacích zařízení je jejich vysoká cena. V některých případech se to nevyplatí, a tak nemá smysl investovat do zbytečných mechanismů.

Odhaduje se, že 8 panelů je minimální počet, při kterém budou náklady časem oprávněné. Můžete použít 3-4 moduly, ale pod jednou podmínkou: pokud jsou přímo připojeny k vodnímu čerpadlu, obcházejí baterie.

Právě druhý den Tesla Motors oznámila vytvoření nového typu střechy – s integrovanou solární panely. Elon Musk uvedl, že upravená střecha bude levnější než klasická střecha s nainstalovanými kolektory nebo moduly.

Závěry a užitečné video k tématu

Tematická videa vám pomohou lépe si představit design domácích solárních stanic a odhalí některá tajemství instalace zařízení.

Video #1. Dostupné technické informace o solárních panelech a regulátorech nabíjení:

Video #2. Užitečné zkušenosti s používáním solárních panelů v oblasti Moskvy:

Video #3. Příklad úspěšně fungující solární stanice, kompletně samostatně sestavené, zajišťující jak dodávku teplé vody, tak vytápění domu:

Jak můžete vidět, solární systém je velmi reálný fenomén, který můžete realizovat sami. Oblast alternativních metod získávání energie se neustále vyvíjí, snad zítra uslyšíte o novém objevu.

Zveme vás k aktivnímu připomínkování materiálu. Můžete vyjádřit svůj postoj k „zelené energii“, podělit se o své zkušenosti s instalací systému solárních panelů a pouze vám sdělit známé jemnosti v bloku umístěném níže.