Чи можна зробити опалення будинку від сонячних батарей

Напівпровідникові панелі, що перетворюють енергію сонця на електрику, зазвичай встановлюються з однією метою – забезпечити роботу домашніх побутових приладів. Та ентузіасти на досягнутому не зупиняються і намагаються пристосувати сонячні батареї для опалення домівки. Пропонуємо обговорити цю ідею, розглянути можливі способи обігріву за допомогою фотоелектричних панелей. Рентабельність електростанцій альтернативної енергетики та інші фінансові питання розбирати немає сенсу, це окрема тема.

Як працює сонячна електростанція

Ми не збираємося забирати ваш час і розповідати, як напівпровідникові модулі генерують струм. Але якщо ви хочете організувати опалення будинку сонячними батареями, треба розумітися на принципі роботи фотоелектричної станції та знати всі нюанси, що впливають на її потужність.

Сонячна енергетична установка (СЕС) складається з таких елементів (показані нижче на схемі):

• одна або кілька панелей, що сприймають випромінювання сонця;
• акумуляторні батареї (АКБ) накопичують вироблену електроенергію;
• контролер стежить за рівнем заряду, направляє струм у потрібний ланцюг;
• інвертор перетворює постійну напругу сонячних батарей на змінний струм 220 В.

Цікавий момент. Ціна модулів становить не більше 30% від вартості повного комплекту обладнання. Решта 70% – це акумулятори, інверторний блок і контролер. Комплектуючі підбираються під одну робочу напругу 12, 24 або 48 вольт.

Спрощено пояснимо алгоритм роботи системи:

1. Протягом світлового дня батареї виробляють струм, що надходить до контролера.
2. Електронний блок оцінює рівень заряду АКБ, потім направляє енергію у потрібну лінію – на зарядку чи споживачам (до інвертора).
3. Інверторний блок перетворює постійний струм в змінний зі стандартними параметрами – 220 В / 50 Гц.

Існує 2 типи контролерів – ШІМ і MPPT. Різниця між ними полягає в способі зарядки елементів електроживлення і величині втрат напруги. Блоки MPPT більш сучасні та економічні. Акумулятори застосовуються різні: свинцево-кислотні, гелеві та інші.

Якщо планується використання декількох модулів, то вони з’єднуються між собою 3 способами:

1. Паралельна схема підключення дозволяє наростити струм в ланцюзі. «Мінусові» контакти усіх батарей приєднуються до однієї лінії, «плюсові» – до другої. Напруга на виході залишається незмінною.
2. Застосування послідовної схеми дає можливість збільшити вихідну напругу. «Мінусова» клема першої панелі з’єднується з «плюсом» наступної і так далі.
3. Комбінований спосіб застосовується, коли треба змінити обидва параметри – силу струму і напругу. Кілька модулів з’єднується послідовно, потім група підключається до загальної мережі паралельно іншим аналогічним групам.

Як виглядають сонячні батареї для дому та супутнє обладнання, розповість майстер-електромонтажник на відео:

Скільки потрібно сонячних батарей для будинку

Здавалося б, розрахунок простий. На обігрів невеликого заміського котеджу площею 100 м² піде приблизно 10 кВт = 10000 Вт теплової енергії. Це 100 панелей по 0.1 кВт або 34 великих модуля по 300 Вт. Але стільки батарей на дах будинку не поставиш, а про квартиру й мови немає.

Довідка. Розмір 1 фотоелектричного елемента потужністю 100 Вт, виготовленого за полікристалічною технологією, становить близько 1020 х 700 мм або 0.71 м². Аналогічна батарея на 300 Вт займатиме 1.68 м² (170 х 99 см).

Відразу обмовимося: отриманий результат – неправильний, оскільки не враховує особливості експлуатації сонячних енергетичних систем:

1. Фотоелектричний модуль виходить на максимальну потужність, коли промені падають під кутом 90° до площини батареї. Якщо не зробити трекер – механізм стеження, що повертає панель слідом за рухом сонця, втратимо близько 40% енергії. З іншого боку, цей пристрій також витрачає електрику.

   

2. Величина сонячного випромінювання на 1 м² – інсоляція – залежить від регіону проживання, висоти над рівнем моря, освітленості ділянки. Перелічені фактори прямо впливають на продуктивність батарей.
3. З часом напівпровідникове покриття модулів деградує, від чого втрачається приблизно 1% електричної потужності щорічно.
4. Якщо фотоелектричний шар перегрівається сонцем, продуктивність панелі теж помітно зменшується.
5. Частка енергії втрачається у супутньому обладнанні – інверторах, контролерах, АКБ. Це банальний нагрів деталей – трансформаторів, мікросхем та інших елементів.
6. Коли робоча поверхня забруднюється пилом чи засипається снігом, виникають додаткові втрати.
7. Зауважте, для сонячного опалення взимку виробленої електрики має вистачити на обігрів будинку і зарядку акумуляторів на ніч.

Висновок. Універсального розрахунку електричної потужності батарей, який би підходив для усіх країн і регіонів, не існує. Але озвучену вище цифру 10 кВт треба подвоїти (як мінімум), щоб отримати пристойний результат на практиці. Знадобиться від 200 100-ваттних панелей, що займатимуть площу понад 140 квадратних метрів.

Є надійний спосіб отримати точні дані по інсоляції і розрахувати продуктивність сонячних батарей – звернутися до місцевої організації, яка займається їх монтажем. Або самоостійно вивчати карту інсоляції району.

Пропонуємо інший шлях – використати досвід власників сонячних автономних електростанцій, почитати їхні відгуки на тематичних форумах. Пошукайте користувачів, які проживають у вашій місцевості, якщо хочете отримати реальні цифри безкоштовно.

Зверніть увагу: нами враховувалася тільки сонячна енергія для опалення, підігрів води та інші господарські потреби до розрахунку не включалися. Як розрахувати кількість батарей на практиці, дивіться у відеосюжеті:

Реальні способи обігріву

Як ви розумієте, зробити повноцінне електричне опалення будинку сонячними батареями досить складно (і дорого). Не кожен господар наважиться купити і встановити панелі на площі 100–150 м², щоб прогрівати невеликий будинок або дачу. Значить, традиційна схема електрокотел + водяна система + радіатори опалення не годиться.

Але ідею обігріву за допомогою сонячних модулів не можна назвати утопією. Перерахуємо варіанти, реалізовані домовласниками на практиці:

• панелі плюс інверторні кондиціонери з коефіцієнтом ефективності COP 3.5–4;
• підключення батарей безпосередньо до електричних обігрівачів без інвертора;
• будівництво повноцінної СЕС, продаж електроенергії державі, виручені кошти йдуть на оплату традиційного опалення.

Доповнення. Застосування панелей в якості додаткових джерел енергії для основного опалення обговорювати немає сенсу – це очевидне рішення.

Почнемо з третього варіанту, він більш цікавий підприємцям. В країнах, де державою встановлений так званий зелений тариф, домовласник може отримувати електрику з поновлюваних джерел і віддавати її в загальну енергетичну мережу, отримуючи прибуток. Тобто, домовласник купує ті самі 200–300 сонячних панелей, але продає генеровану енергію за високою ціною, а не витрачає сам.

Наприклад, в Україні зелений тариф перевищує звичайний у 3 рази (станом на червень 2019 р.). 1 умова: мінімальна продуктивність СЕС має становити 30 кВт. Будуєте електростанцію, постачаєте енергію до мережі, а самі купуєте її втричі дешевше. Як зробити установку та відгуки користувачів читайте на цій сторінці форуму.

Інші 2 варіанти розглянемо детальніше.

Опалення кондиціонерами

Спосіб заснований на ефективності інверторних спліт-систем, що доставляють всередину будинку вчетверо більше тепла, ніж витрачають електроенергії. Як реалізувати таке опалення:

1. Насамперед максимально знижуємо тепловтрати будівлі – утеплюємо стіни, підлогу і дах, встановлюємо енергоощадні вікна. Ідеальний показник споживання тепла в оселі 100 м² – 6 кВт.
2. Купуємо 2 кондиціонери з інверторними компресорами, що працюють при мінусовій температурі надворі. Сумарна продуктивність агрегатів має дорівнювати тепловтратам будинку, в нашому випадку – 6 кВт. Споживання таких «сплитів» не перевищить 2 кВт.
3. Монтуємо сонячну станцію, здатну цілодобово забезпечувати електрикою кондиціонери.
4. Для опалення в найхолодніші дні краще встановити будь-яке традиційне джерело тепла – котел, дров’яну піч.

Відео в кінці розділу підтверджує, що описана схема цілком працездатна. Один істотний мінус: при морозі ефективність кондиціонерів різко знижується, без допомоги котла не обійтися. В умовах помірного і північного клімату сонячні модулі самі з опаленням не впораються.

Примітка. Більшість інверторних спліт-систем здатна функціонувати при температурі до —15 °C. Коефіцієнт ефективності COP знижується до 1.5–2 (тепла виділяється вдвічі більше, ніж споживається електрики).

Використання малопотужних обігрівачів

Йдеться про значне здешевлення системи у разі використання невибагливих до якості струму споживачів – звичайних тепловентиляторів. Зважаючи на відсутність інвертора, до сонячних модулів доведеться підключати 12-вольтові обігрівачі (можна узяти автомобільні чи змайструвати своїми руками).

Як зібрати сонячний генератор електроенергії:

1. Встановлюємо потрібну кількість батарей з робочою напругою 12 вольт.
2. З’єднуємо їх проводами 2.5 мм² за наведеною нижче схемою – без інвертора.
3. Підключаємо навантаження – малопотужний тепловентилятор на 12 В.

Нижче на відео фахівець докладно описує всі нюанси такого під’єднання. Спосіб годиться для обігріву окремих кімнат тепловентиляторами 1–1.5 кВт. Опалити весь будинок складніше – треба зібрати кілька окремих контурів з сонячними панелями, щоб не збільшувати перетин дротів.

Заключний висновок

Зробити повноцінне опалення приватного будинку на сонячних батареях дуже непросто. Єдиний більш-менш реалістичний сценарій – це застосування спліт-систем, а краще – геотермального теплового насоса, який не залежить від вуличної температури. Установка споживає мало електрики, тому зможе працювати від домашньої СЕС.

Ми спеціально виключили зі статті фінансові питання, оскільки мова йшла про технічні моменти. Але треба розуміти, що обладнання сонячної енергетики – акумулятори, батареї, інвертори та блоки управління – коштують великих грошей. Щоб успішно вирішити усі задачі, потрібно бути забезпеченим ентузіастом.

Схема з вакуумними колекторами, підключеними до непрямого водонагрівача, обійдеться дешевше. Але в цьому варіанті є свої труднощі, наприклад, акумулювання тепла і стагнація колектора у спекотні дні. В нелегкій справі освоєння сонячної енергії немає простих рішень.