Техногенная цивилизация требует все большего количества энергии для удовлетворения нужд промышленности и быта. Но современные способы её получения не дают полной гарантии благополучной перспективы. Природные месторождения углеводородного сырья постепенно исчерпываются. К атомной энергетике после Чернобыля и Фукусимы возникло много вопросов по безопасности. Растиражированная тема термоядерного синтеза до сих пор не решена. В качестве временного выхода из кризиса ученые предлагают использовать возобновляемые средства в виде солнечной, ветровой, геотермальной стихии, а также силу морских приливов и отливов.
Солнце как энергетический «вечный двигатель»
Звезда нашей планетной системы – Солнце, по современным оценкам еще просветит не один миллиард лет. Кроме света, она дает бесплатное тепло, которое можно использовать для отопления домов солнечными коллекторами. Эту технологию уже не один десяток лет успешно внедряют в странах Западной Европы, США, Японии. Там до 50% от общего количества вырабатываемой энергии для частного сектора приходится на долю фотоэлектрических устройств. Следует понимать, что они являются альтернативным источником энергопотребления. Их задача – выполнять поддерживающую функцию и экономить традиционные ресурсы в форме электричества, газа или угля.
От природного светила получают два вида энергии – тепловую и электрическую. Преобразователями тепла являются водяные коллекторы. Электроэнергию производят путем трансформации видимого спектра излучения с помощью фотоэлементов. Солнечные батареи для отопления дома можно использовать даже в зимнее время в отличие от водяной системы.
Принцип работы обеих конструкций в корне отличается, но они могут дополнять друг друга, увеличивая общую эффективность обогрева и снижая затраты на приобретение дорогого оборудования фотоэлектрического модуля. Коллектор – это система металлических трубок, заполненных водой. Она нагревается и самотёком или с помощью циркуляционного насоса подается в систему отопления. Электрическая гелиосистема представляет собой комплекс фотоэлектрических преобразователей (полупроводников), вырабатывающих постоянный электрический ток.
Поток солнечного света, доходящий до Земли в безоблачную погоду, составляет по мощности до 1400 Вт/м2. Через облака тепла проникает в 14 раз меньше. КПД современных преобразователей достигает 24%. Флексо-фотовольтаический эффект увеличил время жизни «горячих» электронов и позволил поднять энергоэффективность панелей до 66%. Перспективной разработкой стали наноантенны. Они функционируют на прямом выпрямлении электротока под действием высокочастотного электромагнитного излучения с частотой до 500 ТГц в фотоприёмниках с диаметром до 300 нм. КПД такой термодинамической системы возрастает до 85%. Но стоимость комплекта солнечных батарей для отопления дома для большинства населения слишком высока.
Виды, состав водяной гелиосистемы для частного пользования
Промышленность выпускает несколько типов солнечных коллекторов для установки в личном хозяйстве. Они отличаются по:
-назначению;
-внешнему виду;
-конструкции;
-принципу работы;
-сезонности эксплуатации.
В зависимости от назначения конструкцию можно использовать для обогрева дома, воды в бассейне, горячего водоснабжения. Внешне конструкция выполняется в виде радиаторов с плоским или круглым сечением. Самотечный принцип работы позволяет экономить электроэнергию. Введение в состав оборудования циркуляционного насоса дает возможность ускорить прогрев воды в контуре прямой и обратной подачи. Разрешается производить отопление дома солнечным коллектором зимой.
Наиболее популярным видом оборудования является гелиосистема с суточным аккумулированием тепла. Существенный ее недостаток – невозможность применения излишков накопленной энергии в летнюю пору. Реализация сезонной концентрации тепла для частного домовладения не реальна, поскольку в землю нужно устанавливать и закапывать большие накопительные резервуары в объеме до 10 м3. Такое количество воды (до 10 тонн) можно использовать разве что на приусадебном участке, и то не всегда.
В состав отопительной гелиосистемы входят:
-накопительный и теплообменный бак расширения;
-контроллёры солнечных систем;
-бойлер;
-насосы;
-блоки управления насосами;
-трубы.
Еще одним видом гелиосистемы являются вакуумные солнечные коллекторы для отопления дома. У них вместо металлических трубок устанавливаются стеклянные конструкции. Особенностью является монтаж на крыше стеклянной трубчатой системы, внутри которой проходит теплоноситель. Он изолирован от внешней среды вакуумной прослойкой, которая не даст промерзнуть воде. Герметичность достигается установкой уплотнителей. Обслуживание заключается в своевременной замене прокладок. 
Монтаж, расчет и цена солнечных коллекторов для отопления дома
Солнечный коллектор крепится на предварительной собранной раме. На скатной крыше основанием является крепежная консоль из алюминиевого анодированного профиля, которую фиксируют сквозь покрытие кровли в стропильной балке на глубину до 10 см. Место выхода анкера через крышу герметизируется силиконовой резиной. Встраиваемая в кровлю система позволяет сэкономить на черепице или шифере. Установка производится на специальных браслетах, которые имеют изгиб, повторяющий форму черепицы. Такое огибание позволяет не делать отверстия в самой кровле и одновременно надежно фиксировать систему. Монтаж остальных элементов отопления выполняется в соответствии с законами гидродинамики, соблюдением уклонов для того, чтобы вода могла свободно циркулировать в случае отсутствия электроэнергии.
Важно! Запрещено монтировать крупногабаритные гелиоколлекторы, предназначенные для встраивания в крышу, на земле или плоской кровле. Следует строго выдерживать угол наклона к горизонту в диапазоне от 35 до 45°. Это обеспечит максимальную производительность оборудования.
Наиболее эффективные солнечные коллекторы находятся в южных областях. Устройство с рабочей площадью 1 м2 за год вырабатывает такое количество тепла, которое сопоставимо при сгорании 300 м3 природного газа. При цене последнего в среднем по 6 рублей за 1 м3 сумма экономии составит 1800 рублей. Устанавливают три бойлера с рабочей площадью нагрева 2,5 м2. Сэкономленной суммы вполне хватит, чтобы зимой полностью отказаться от газа.
Стоимость солнечного коллектора для отопления дома зимой меньше, чем цена проектирования, монтажа и подключения к уличному распределительному газопроводу. Если учесть стоимость газа, то это разница становится еще больше. Расходная часть бюджета по обслуживанию гелиосистемы идет только на электроэнергию, необходимую для работы циркуляционного насоса. Преимуществом солнечного радиатора является отсутствие сложных систем, безопасность и повышенный срок эксплуатации по сравнению с газовыми приборами.
Недостатком агрегата является его большая стартовая стоимость. Цена солнечного коллектора для отопления дома может достигать 1000 евро, а вместе с монтажными работами – больше 2000. Окупается система в течение 5-7 лет. Другой минус – непостоянство работы. Она зависит от солнечных дней. Поэтому такой обогрев является только дополнением к основному.
Сколько нужно солнечных батарей для отопления дома?
Устройство выгодно использовать для обогрева помещений в районах, где солнечных дней в году не меньше 200. Фотопанели вырабатывают электроэнергию и выдают её в домашнюю сеть на отопительные элементы. Для синхронизации с движением солнца по небосводу панели перемещаются вслед за светилом благодаря системе отслеживания. Существует несколько типов солнечных батарей:
-монокристаллические;
-поликристаллические;
-аморфные.
Монокристаллические преобразователи представляют собой пластины из кристаллов кремния. Они имеют энергоэффективность в пределах 18%, температуру эксплуатации – 5-25°С. Фотоэлементы их поликристаллов изготавливаются из вязкой кремниевой массы, постепенно отвердевающей до заданного состояния. Максимальное значение КПД -12%. Аморфные или пленочные панели получают методом испарительной фазы кремния, оседающего на полимерной пленке. Имеет самую небольшую производительность – 7%.
Внешние элементы поглощают и трансформируют энергию фотонов в упорядоченное движение электронов (отрицательная проводимость n-типа). Их энергия концентрируется в аккумуляторе. Один элемент создаёт мощность, достаточную для работы одной лампочки от 100 до 250 Вт. Панель площадью 30 м2 обеспечит светом небольшой дом. Но для отопления необходимо в разы больше энергии и преобразователь переменного тока — инвертор. Без него обогревательные ТЭНы с распределительной разводкой работать не будут. Купить солнечные батареи для отопления дома можно в специализированных магазинах.
Важно! Собрать домашнюю мини-электростанцию под силу только подготовленному мастеру. Он поставит систему на обслуживание и даст гарантию. Самостоятельный монтаж приведет к поломке дорогостоящего оборудования.
Самая эффективная солнечная панель та, которая работает по гибридной схеме. Например, фотоэлементы параллельно подключены к ветрогенератору или общей электросети. Тогда гарантирована безотказная работа системы при отключении одного из элементов. После монтажа всех компонентов инвертор подключается к водонагревателю. Мощность инвертора находится в пределах 250-6000 Вт. Увеличения мощности добиваются параллельным подключением нескольких инверторов. В качестве накопителя энергии используются автомобильные или специальные аккумуляторы.
Для отопления дома и обеспечения его электричеством необходимо установить панели общей мощностью до 20 КВт. Цена комплекта солнечных батарей для отопления дома составляет от 1040600 рублей. Стоимость панелей с оборудованием, включающим инвертор, аккумуляторы в 10 и 15 КВт колеблется от 522 и от 847 тысяч рублей. Солнечные батареи для отопления загородного дома обойдутся чуть меньше – 484 тысяч рублей.
Как самостоятельно изготовить накопитель энергии солнца?
Основной деталью устройства является абсорбер, состоящий из металлического листа, приваренного к трубкам. Они соединены с трубами подачи горячей воды и «обратки», которые устанавливаются горизонтально. Схема их подсоединения – диагональная. Это делается для увеличения мощности.
Абсорбер помещается в деревянный каркас и закрывается стеклом толщиной не менее 4 мм. Если стекол больше, то производительность увеличивается, но возрастает масса. Конструкцию нужно покрасить специальным жаростойким веществом. Обычные лакокрасочные материалы вскоре начнут отставать от поверхности под действием высокой температуры. Абсорбер утепляется минеральным стекловолокном, так как температура нагрева достигает до 200°С. Все деревянные конструкции изолируются от соприкосновения с металлом.
Накопительный бак, где хранится горячая вода, помещается в абсорбере и тоже защищается от температурного влияния внешней среды. В нем находится теплообменник из нержавеющей стали, меди. Входной патрубок соединяется с горячей водой, а выходной – с холодной. Третий элемент конструкции – расширительный бак. Он соединен с накопителем и имеет контакт с наружным воздухом. Его задача состоит в регуляции уровня воды в системе и недопущения превышения объема и давления теплоносителя при нагревании. Все емкости утепляются, в том числе, и расширительный бачок.
Принцип работы солнечного коллектора для отопления дома своими руками не отличается от промышленных установок. Нагретая в абсорбере солнцем вода поступает в теплообменник, а затем в систему отопления дома. Отдавая тепло, она остывает и возвращается в бак. На практике установлено, что для южных широт больше всего подходят коллекторы с плоскими элементами, а для северных – с трубчатыми.
Отзывы о солнечных коллекторах и батареях для отопления домов
Большинство пользователей альтернативными системами обогрева отмечают возросшую независимость от сетевых энергоисточников. Особенно это заметно при запланированных отключениях и аварийных остановках подачи света или газа. В случае самостоятельного монтажа коллектора расходы были только на приобретение материалов. Заметно снизились финансовые затраты в перерасчете на ежедневное потребление.
Например, пользователь гелиосистемы в Судаке отмечает, что применяет её для нагрева бассейна объемом 170 м3 и дежурного отопления в зимнее время. Он смонтировал 18 коллекторов, через год добавил еще 14 единиц. Зимой приходится прогревать дом, включая основную сеть. Поскольку температуры воды падает до 12°. Летом возникает другая проблема – некуда девать воду, нагретую до 70°С. За семь лет эксплуатации владелец дважды менял контролер. Первый раз из-за неисправности, второй – по причине установки более современной модели. Конструкция окупила себя за 4 года. В перспективе вместо котла планирует подключить более выгодный тепловой насос.
Другой пользователь ГВС из Сум отмечает, что летние расходы покрыл на 100%. По его мнению, солнечные панели сегодня являются неотъемлемой частью инженерных систем домов. Независимо от отрицательной температуры фотоэлектрические батареи компенсируют 4 часа теплопотерь. Если теплоноситель прогревается недостаточно (облачность, вечер), то он поступает в грунтовый накопитель, повышая температуру почвы до 20-25°С. Летом гелиосистема играет главную роль при нагреве воды. Излишки снова поступают в подземный теплообменник.
