Солнечные батареи для частного дома и квартиры

• Возможности использования
• Расчет солнечных батарей для дома
• Виды солнечных батарей
• Эффективность солнечных батарей зимой
• Правила установки
• Солнечные батареи на крыше

Идея использовать солнечную энергию для дома — для его отопления или на другие нужды — не нова. Но сегодня разработаны устройства, которые позволяют это сделать любому человеку. Во многих странах солнечные батареи на крыше скорее правило, чем исключение. Наша страна к ним, пока не относится, но и у нас уже подобные установки можно увидеть все чаще. Солнечные системы для дома могут быть двух видов. Первый — солнечные коллекторы, которые нагревают протекающий в них теплоноситель. Второй — солнечные батареи, которые вырабатывают электричество. О них и будем говорить ниже.

Солнечные батареи преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Батарея состоит из некоторого количества фотоэлектрических преобразователей, которые чаще называют фотоэлементами. Количество преобразователей в батарее произвольное, соединение последовательно-параллельное. Чем определяется количество фотоэлементов? Необходимой силой тока и напряжением. Располагают преобразователи на какой-либо плоской поверхности один возле другого. Из-за внешнего вида такие конструкции часто называют «солнечные панели».

Солнечные батареи для частного дома в некоторых странах — обычное явление

Слишком большие по площади солнечные батареи в быту использовать неудобно, а если не хватает мощности самой большой, несколько устройств соединяют в каскад. Если мощность требуется большая, может понадобиться значительная площадь: может быть занята вся крыша, иногда стены дома и часть придомовой территории. Потому чаще применяют солнечные батареи для частного дома: там есть где разместить и большое их количество. Владельцы квартир могут занять только окна и балконы.

Возможности использования

Как можно использовать солнечные батареи для отопления дома? Только для уменьшения счетов за электроэнергию, а также в качестве резервного источника на случай отключения. Это поможет добиться той самой энергонезависимости, и не заморозить систему отопления при отсутствии централизованного электропитания.

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

Насколько реально может солнечная батарея обеспечит потребности в электричестве? Если говорить о водяном отоплении, то это реально: для поддержания работоспособности системы потребуется максимум 200-300 Вт/ч. Столько в среднем «тянут» электроника котла + циркуляционный насос + возможные управляющие устройства и контролеры. Если система у вас больше, возьмите паспорта и посчитайте необходимую мощность. Для 300 Вт/ч будет достаточно двух солнечных панелей средней мощности (их суммарная производительность должна немного превышать потребность).

И не нужно думать, что при отсутствии солнца электричества не будет. В систему входят обязательно аккумуляторы и инвертор. Правильно подберите мощность аккумуляторов, и их заряда даже при самых плохих погодных условиях вам хватит на несколько дней работы системы.

Кстати, многие европейские производители отопительного оборудования предусматривают совместную работу своей техники с солнечными преобразователями (например, газовые котлы Baxi и Ariston). Но работают они с гелиоколлекторами (греют воду) или с солнечными батареями, нужно смотреть по каждому виду оборудования.

Для полного обеспечения электроэнергией одной крыши будет недостаточно

Если подогрев пола у вас электрический, все серьезнее. Мощность большинства таких обогревателей исчисляется киловаттами. Для выработки такого количества энергии потребуется много панелей для переработки энергии солнца. Устройство системы солнечных батарей для отопления частного дома электрическими полами, может вылиться в очень приличную сумму. Но система хороша тем, что ее мощность можно наращивать постепенно. Будете по возможности увеличивать количество панелей и количество вырабатываемого электричества.

При желании можно сэкономить: собрать солнечные панели самостоятельно. Такие самодельные варианты обойдутся в разы дешевле заводских. И это при том, что покупать фотопреобразователи придется готовые: их изготовление в кустарных условиях — нереальная задача. Потому — только готовые. Эффективность самодельных солнечных панелей будет ниже заводских, но и цена в разы ниже.

Расчет солнечных батарей для дома

Инсоляция (количество солнечной энергии) в разные месяцы сильно изменяется. Потому сначала нужно определиться с тем, какую часть электроэнергии и на какой период вы собираетесь вырабатывать. Если вы хотите все 100% в любое время года вырабатывать самостоятельно, считать придется по самому плохому месяцу с минимальным количеством солнечных дней. Но тогда возникнет вопрос: что делать с избыточным количеством электроэнергии, которая будет вырабатываться в другие месяца.  Если проживание планируется только в огородный сезон, считаете по самой низкой инсоляции в этот период. В общем, принцип понятен.

Лучше всего с выработкой электроэнергии от солнца дело обстоит на юге

Затем необходимо рассчитать какую суммарную мощность должна выдавать ваша солнечная система для дома. Для этого в таблицу вписываете все электроприборы, и из их паспортов вносите данные по мощности, потребляемому току и ваттную нагрузку. Подбив колонки, узнаете, сколько электроэнергии в час нужно всей вашей аппаратура и приборам. Понятно, что все они вряд ли включаются одновременно. Можете попытаться высчитать, какие из них работают одновременно, и по этой цифре подбирать солнечные панели.

Как считать количество солнечных батарей разберем на примере. Пусть потребность в электроэнергии 10 кВт/ч, инсоляция в расчетном месяце 2 кВт/ч. Мощность батареи, которую собрались покупать, 250 Вт (0,25 кВт). Теперь считаем 10 / 2 / 0,25 = 20 шт. То есть понадобится 20 солнечных панелей.

Для уменьшения потребления электроэнергии нужно заменить все лампы накаливания на светодиодные, а всю старую неэкономную технику на энергосберегающую. Тогда вам понадобится не такое уже и большое количество солнечных панелей.

Виды солнечных батарей

Фотоэлектрические преобразователи существуют разные. Причем отличается и материал, из которого они изготавливаются, и технологии. От всех этих факторов напрямую зависит производительность этих преобразователей. Некоторые фотоэлементы имеют КПД 5-7%, а самые удачные последние разработки показывают 44% и выше. Понятно, что от разработок до бытового использования расстояние огромное, и по времени, и по деньгам. Зато можно представить, что ждет нас в ближайшем будущем. Для получения лучших характеристик используют другие редкоземельные металлы, но с улучшением характеристик имеем приличное повышение цены. Средняя же производительность относительно недорогих солнечных преобразователей составляет 20-25%.

Самое широкое распространение получили солнечные модули из кремния

Самые распространенные кремниевые солнечные батареи. Этот полупроводник недорог, его производство освоено давно. Но они имеют не самый высокий КПД — те самые 20-25%. Потому при всем разнообразии сегодня преимущественно используются три вида солнечных преобразователей:

• Самые дешевые — тонкопленочные батареи. Они представляют собой тонкий налет кремния на несущем материале. Кремниевый слой покрыт защитной пленкой. Плюс этих элементов в том, что работают они даже в рассеянном свете, а, следовательно, есть возможность устанавливать их даже на стены зданий. Минусы — низкая эффективность 7-10%, а также, несмотря на защитный слой, постепенная деградация кремниевого слоя. Тем не менее, заняв большую площадь, можно получить электричество даже в пасмурную погоду.
• Поликристаллические солнечные батареи изготавливают из расплава кремния, медленно его охлаждая. Отличить эти элементы можно по ярко-синему цвету. Эти солнечные батареи имеют лучшую продуктивность: КПД 17-20%, но в рассеянном свете малоэффективны.
• Самые дорогие из всей троицы, и, тем не менее, довольно широко распространенные — монокристаллические солнечные батареи. Они получаются путем разделения одного кристалла кремния на пластины и имеют характерную геометрию со скощенными углами. У этих элементов КПД от 20% до 25%.

Теперь видя надписи «солнечная панель моно» или «поликристаллическая солнечная батарея» вы будете понимать, что речь идет о способе производства кремниевых кристаллов. Также вы будете знать, какой эффективности от них можно ожидать.

Это батарея с монокристаллическими преобразователями

Эффективность солнечных батарей зимой

Вы, наверное, удивитесь, но зимним днем на вертикальную поверхность падает всего в 1,5-2 раза меньше энергии, чем летом. Это данные для средней полосы России. За сутки картина хуже: за этот период летом получаем в 4 раза больше энергии. Но обратите внимание: на вертикальную поверхность. То есть на стену. Если говорить о горизонтальной поверхности, тут разница уже в 15 раз.

Самая печальная картина по выработке электроэнергии солнечными батареями ожидает вас не зимой, а осенью: в пасмурную погоду их эффективность ниже в 20-40 раз, в зависимости от плотности облачного покрова. Зимой же, после того выпал снег, инсоляция (количество света, падающего на батареи) в солнечные дни может приближаться к летним значениям. Потому зимой солнечные системы для дома вырабатывают больше электроэнергии, чем осенью.

Получается, чтобы зимой добиться близкой к максимальной эффективности, нужно располагать солнечные батареи вертикально или почти вертикально. И, если их вешать на стены, то желательно на юго-восточные: утром по статистике чаще бывает ясная погода. Если юго-восточной стены нет, или ничего на ней установить невозможно, выйти из положения можно сделав специальные подставки. Тогда  ставят солнечные батареи на крыше. Так как угол падения солнечных лучей в зависимости от сезона меняется, желательно сделать подставку с регулируемым углом наклона. Есть возможность — разверните солнечные панели «лицом» на юго-восток, нет такой возможности, пусть «смотрят» на юг.

Одна из систем монтажа

Правила установки

Эффективность работы кремниевых солнечных батарей зависит от количества попадающей на них энергии солнца (всего спектра излучения). Факторы, на которые мы может каким-то образом повлиять, это:

• Затененность. Желательно, что бы на протяжении светового дня на панель не падала тень. Потому выбирайте место, где не растут высокие деревья, нет тени от зданий или линий электропередач. Даже небольшой участок тени, попавший на поверхность, значительно снизит выработку электроэнергии. КПД установки будет равно самой низкой производительности среди всех фотоэлементов в панели. Потому даже один листок или след от птичьего помета сильно снижает выработку электроэнергии всей панели целиком.
• Ориентация. Если есть возможность изменять положение, летом выставляйте из «лицом» на юг, зимой — на юго-восток. Это возможно, если панель поставлена на плоской крыше или на земле.
• Угол наклона. Если местом установки солнечной батареи выбрана скатная крыша, а ее угол наклона далек от идеального, требуется изготовить специальные рамы, с помощью которых можно корректировать положение батарей. В идеале рамы должны иметь возможность изменять этот угол наклона. Изменять каждый день или час никто положение не будет, но раз в сезон поправить его можно.
  
  
  

  Один из вариантов установки. В морозный, но солнечный день, при наличии снега выработка тока будет приличной

На работоспособность многих типов преобразователей влияют температурные показатели: диапазон использования кремниевых элементов от -40oC до +50oC. Негативно на работоспособности сказываются как более низкие, так и более высокие температуры. Если летом у вас солнце активное, важно не допустить перегрева. Для этого под панель можно положить белую ткань или фольгу (более эффективно). Если это не помогает и панель перегревается, поверните ее, или перевесьте. Нужно будет выбрать такое положение, при котором будет соблюдаться тепловой режим, а производительность останется довольно высокой.

Максимальную свою продуктивность эти устройства показывают, если солнечные лучи падают под углом 90o. К сожалению, такое возможно далеко не весь день, а лишь короткий промежуток времени. Есть специальные системы слежения, изменяющие угол наклона панели так, чтобы свет падал постоянно под желаемым углом. Но это дорогие установки.

И все же, можно найти оптимальный угол установки солнечных батарей. Просто при незначительном отклонении от идеала (менее 50o) производительность падает мало, примерно, на 5%. Фактическое подтверждение этому можете увидеть на видео.

Для каждого региона угол установки солнечных батарей свой. Его можно определить экспериментально (как — вы видели), а можно выставить исходя из географической широты: этот наклон принято считать самым лучшим. Но все зависит еще от ориентации панели: если вы развернули ее на север или восток, оптимальный угол будет меньше.

Солнечные батареи на крыше

Прежде всего, нужно выяснить, выдержит ли кровля дополнительную нагрузку. Один-два модуля выдержит любая, а для большего количества придется считать.

Для надежной фиксации они должны крепиться как минимум в четырех точках. Причем, если вы монтируете панели заводского изготовления, не поленитесь изучить инструкцию по установке: при нарушении хотя-бы одного из пунктов с гарантии оборудование снимается. В большинстве случаев требования такие:

• Крепятся солнечные батареи на расстоянии 5-15см выше кровельного материала. Этот зазор необходим для проветривания (для поддержания температурного режима).
  
  
  

  Устанавливать солнечную батарею нужно на расстоянии 5-15 см от кровельного материала на специальных направляющих

• Для закрепления использовать только имеющиеся в корпусе отверстия. Дополнительные сверлить нельзя.
• Рама, на которой закреплены фотоэлементы, рассчитана на вертикальную или горизонтальную установку (указано в паспорте), и в другом положении ее крепить нельзя.
  
  
  

  Если рекомендована вертикальная установка, горизонтально ставить панель нельзя

Системы крепления солнечных панелей могут быть разными. Есть готовые (продаются там же, где и сами панели), но вполне можно использовать и сделанные собственноручно. Важно только использовать надежные, стойкие к коррозии материалы. Толщина реек и крепежа должна быть большой: выдерживать должны они и ветровые нагрузки, и массу панелей с самым толстым снежным покровом.

Один из методов крепления солнечных батарей на крыше частного дома можно увидеть в видео.

Теперь немного об электрической сборке. Схема подключения солнечной батареи кроме самих преобразователей предусматривает наличие:

• контроллер заряда с подключенными аккумуляторными батареями;
• преобразователь (инвертор), который преобразует постоянный ток в переменный;
• предохранители для защиты от короткого замыкания (очень повысят безопасность и вашу и системы).

Контроллер и преобразователь имеют ограничения по току и напряжению. Суммарные параметры подключаемой для вашего дома солнечной системы не должны их превышать. Для электрического соединения батарей в единую систему использовать нужно только те провода, которые выведены наружу.

Принципиальная схема подключения гелиобатарей

Для соединения панелей применяют медный проводник в стойкой к ультрафиолету изоляции. Если провода в подходящей изоляции не нашли, спрячьте его в гофрированный шланг для наружных работ. Толщина жил провода зависит от предполагаемой силы тока в системе и от длины линии, но минимальное сечение 4мм2. Соединение проводников желательно делать при помощи коннекторов, а не на скрутках. Рекомендуют МС4 потому что проводники, выходящие из большинства солнечных батарей, оконечены именно такими разъемами. Эти разъемы хороши тем, что обеспечивают герметичное соединение, что на крышах немаловажно. Но не все фирмы устанавливают разъемы этого стандарта. В дешевых моделях (особенно китайских) может стоять что-либо иное, так что уточняйте при покупке.

Это схематическое изображение подключения

Теперь о последовательности подключения оборудования в систему. Для безопасного подключения соблюдайте очередность такую:

Не пренебрегайте последовательностью подключения. Это наиболее безопасный алгоритм, гарантирующий (при соблюдении полярности) рабочее состояние системы.

Напоследок вам еще один вариант установки на крыше дачи. Это вариант с регулируемым углом наклона. Возможно, вам видео будет полезным.