Отопляване на частния дом със слънчеви панели: схема и устройство

Видове слънчеви панели

Устройствата са разделени на класове в зависимост от капацитета им:

• ниска консумация на енергия;
• универсален;
• Слънчев панел.

Освен това има три видове батерии с различни цел:

1. Фотоволтаични преобразуватели (PV). Те преобразуват слънчевата енергия в електрическа.
2. Хелиоелектрически централи (ХЕЕЦ). Те се използват за захранване на различни промишлени инсталации - турбини, парни машини и др.
3. Слънчеви колектори (SC). Служи за топлоснабдяване на помещенията.

Изборът и изчисляването на слънчеви панели за частна къща изисква собственикът да познава конструктивните особености на оборудването. Съществува разделение според физическото и химическото състояние на материала на батериите. Този въпрос следва да бъде разгледан по-подробно.

Силициеви батерии

Силициевите клетки са най-разпространените видове фотоволтаични преобразуватели.

Причината за това е разпространението и достъпността на материала. Производствената технология обаче е много сложна, а производството на елементите струва много пари, което принуждава производителите да търсят начини за намаляване на разходите.

Досега това е било възможно само чрез намаляване на ефективността, но разработчиците непрекъснато търсят начини да подобрят качеството и производителността на своите продукти. Нека разгледаме видовете силициеви батерии.

Монокристален

Най-ефективните и скъпи клетки. В тях се използва силиций с висока чистота, който се получава по същия начин, както при производството на полупроводници. Клетките всъщност са тънки резени (300 µm) от един монокристал, който е отгледан специално за тази задача. Кристалната структура е с правилна форма, като зърната са насочени в една и съща посока. Цената на материала е висока, ефективността е 18-22%. Срокът на експлоатация е много дълъг, поне 30 години.

Поликристален

Тези елементи се получават при постепенното охлаждане на разтопен силицийпри което се получават поликристали. Структурата на този материал не е правилна, зърната не са успоредни и са насочени в различни посоки. Производството му е много по-евтино, тъй като тази технология изисква по-малко електроенергия, но ефективността на продукта е по-ниска - 12-18%.

Аморфен

Аморфните батерии не се произвеждат от кристален силиций, а от силан.който се нанася на тънък слой върху основния материал. Ефективността на тези батерии е ниска - само 5-6%, но цената им е най-ниска. Въпреки това има и предимства - висок коефициент на оптично поглъщане, възможност за работа при облачно време, устойчивост на деформация на панела.

Хибрид

Хибридните панели са комбинация от фотоволтаични клетки и слънчеви колектори. Факт е, че панелите се нагряват, когато генерират енергия, и губят своята ефективност.

За намаляване на топлината е използвано водно охлаждане. Оказа се, че количеството топлина, получено от водата от фотоволтаичните клетки, може да се използва за битови нужди или за отопление на помещения.

Такива слънчеви панели са подходящи както за производство на електроенергия, така и за отопление на дома. Производителите твърдят, че ефективността на тези панели е изключително висока (някои твърдят, че е 80 %), но това е често срещан маркетингов трик, като се отчита стабилността на показателите като увеличение на ефективността.

Това е друг вид фотоволтаичен преобразувател, който не е изработен на силициева основа, а от няколко полимерни филма, подредени плътно един до друг, за да изпълняват различни функции.. Ефективността на тези батерии е около четири пъти по-ниска от тази на силициевите батерии, но те са леки, сравнително евтини за производство и съответно по-евтини за продажба. Смята се, че полимерните устройства имат голям потенциал и ще бъдат активно насърчавани, тъй като евтиността и бързината на производството са най-важните предимства на материала.

Алтернативните енергийни източници са бъдещето

Търсенето на енергия се увеличава пропорционално на скоростта на технологичното развитие. Ако днес алтернативните източници на енергия са екзотични и се използват само в райони, където няма друг метод, то в близко бъдеще това ще се промени драстично. Зависимостта от доставчиците не е добра перспектива, което принуждава хората да търсят други, по-независими начини за осигуряване на енергия и топлина..

С появата на по-евтино и по-ефективно оборудване използването на слънчеви панели ще се разпространи.. Стимул за това ще дадат пренаселеността в централните райони, липсата на жилища и работни места и необходимостта от преместване в по-отдалечени региони. Ако дотогава параметрите на оборудването станат доста стабилни и цените паднат до достъпни нива, търсенето на слънчеви панели ще бъде много голямо.

Принцип на работа

Принцип на действие на слънчевия панел. (Кликнете, за да увеличите)

Принципът на действие на слънчевия панел е доста прост. Той преобразува слънчевата енергия в електрическа. Фоторецепторите на плочата абсорбират слънчевата светлина, която предизвиква микроразряд на повърхността на плочата.

Силата на един такъв микроразряд е съвсем малка, но многото фоторецептори на повърхността на батерията са в състояние да генерират и съхранят необходимото количество електроенергия за човешка консумация.

Слънчевите панели могат да се монтират на покривите на

• частни домове;
• високите сгради;
• малки промишлени помещения;
• павилиони;
• навеси.

Условието за поставяне на конструкцията е плосък покрив или друга плоскост с голяма площ.

Съвет на специалиста: Модулите на слънчевите колектори се поставят към слънцето

Затова е важно модулът да се монтира на южната или югоизточната страна.

Предимства на слънчевата отоплителна система

Слънчевите панели за отопление на дома имат няколко предимства:

• Вашият дом получава необходимата топлина през цялата година. Можете също така да регулирате температурата в дома си според нуждите си.
• Пълна независимост от жилище и комунални услуги. Сега няма да се налага да плащате високи сметки за отопление.
• Слънчевата енергия е такъв резерв, който може да се използва за различни битови нужди.
• Тези батерии имат много добър живот. Те рядко се повреждат, така че не е необходимо да се притеснявате за нуждата от ремонт или подмяна на определени компоненти.

Има някои неща, които трябва да се вземат предвид, преди да изберете тази система. В края на краищата тази система може да не е подходяща за всеки

Качеството на такава отоплителна система до голяма степен зависи от географското положение на жилището. Ако живеете в район, където слънцето не грее всеки ден, тези системи няма да са ефективни. Друг недостатък на тази система е, че слънчевите панели не са евтини. Все пак не бива да забравяте, че такава система в крайна сметка ще се изплати напълно.

Продължителност на слънчевото греене в Русия

За снабдяването на къщата с необходимото количество топлина са необходими 15 до 20 квадратни метра слънчеви панели. Един квадратен метър излъчва средно 120 W.

За да получите около 500 kW топлинна енергия на месец, са необходими около 20 слънчеви дни в месеца.

Задължително е слънчевите панели да се монтират на южната страна на покрива, тъй като там се отделя най-много топлина. За да бъде слънчевото отопление възможно най-ефективно, наклонът на покрива трябва да бъде около 45 градуса. За предпочитане е около къщата да няма високи дървета или други предмети, които биха могли да осигурят сянка. Системата от греди на къщата трябва да бъде с достатъчна здравина и издръжливост. Тъй като слънчевите панели не са съвсем леки, трябва да се внимава да не повредят сградата и да не предизвикат разрушителни процеси. Вероятността от срутване се увеличава през зимата, тъй като по това време върху покрива се натрупва сняг в допълнение към тежките батерии.

Слънчевите панели обикновено се поставят на покрива на къщата

Въпреки че слънчевите панели са доста скъпи, те стават все по-популярни. Използват се дори на места, където климатът не е прекалено горещ. Такава система може да се използва и за допълнително отопление на къщата. Такива системи са най-ефективни през летните месеци, когато слънцето грее почти всеки ден. Важно е обаче да се помни, че къщата трябва да се отоплява основно през зимните месеци.

Начини за използване на слънчевата енергия

Начинът на използване на слънчевата енергия не е новаторска технология; слънчевата топлина се използва отдавна и доста успешно. Това обаче се отнася предимно за Австралия, някои страни в Европа, Америка и южните региони, където алтернативната енергия е достъпна през цялата година.

В някои северни региони липсва естествена радиация, затова тя се използва като допълнителна или резервна опция.

Галерия с изображения
Снимка от
Слънчевите панели са един от начините за получаване на почти безплатна енергия, излъчвана от небесното слънце.

Инсталирането на автономна слънчева електроцентрала е практично в региони с голям брой слънчеви дни, които не са свързани със средната годишна температура.

Самостоятелните системи за слънчева енергия се разполагат предимно на покривите на ниски сгради и в райони без дървета.

Слънчевите системи осигуряват енергия за отопление на въздуха, пара или вода през мразовитите периоди; през лятото те осигуряват гореща вода.

Слънчевите електроцентрали са сред "зелените", екологични и постоянно възобновяеми форми на производство на енергия.

Все още ефективността на слънчевите електроцентрали е твърде зависима от броя на слънчевите дни. Те са икономични само в южните географски ширини. В средната зона и на север тя може да служи само като резервен източник.

Слънчевите панели в южната част на страните от ОНД могат да осигурят на къщата електричество, топла вода и отоплителна течност за отоплителни кръгове

Слънчевите термални системи, дори когато се използват като резервен източник на енергия, носят доста големи икономически ползи, тъй като намаляват натоварването на основните енергийни източници.

Пасивна слънчева енергия

Възможност за инсталиране на слънчеви панели

Оптимално позициониране на слънчевата термална система

позициониране на соларните панели по протежение на стрехите

Слънчева термална система върху наклонен покрив

Слънчева електроцентрала като резервен вариант

Дейност в южните региони на страните от ОНД

Реалните ползи от слънчевите термални системи в частния сектор

Слънчевите панели или колектори, които се различават по функция и дизайн, са посредници между слънчевите лъчи и машините за производство на енергия.

Батериите съхраняват слънчевата енергия и я предоставят за захранване на домашните електроуреди. Това са панели с фотоволтаични клетки от едната страна и заключващ механизъм от другата. Възможно е да експериментирате и да сглобите батерията сами, но е по-лесно да закупите сглобяеми елементи - има широк избор.

Слънчевите системи (слънчеви колектори) са част от отоплителната система на една къща. Големите изолирани кутии с охлаждаща течност, като батериите, се монтират върху повдигнати щитове, обърнати към слънцето, или върху покривни скатове.

Погрешно е да се смята, че абсолютно всички северни региони получават много по-малко естествена топлина от южните. Да предположим, че в Чукотка или Централна Канада има много повече слънчеви дни, отколкото в най-южната част на Обединеното кралство.

За да се повиши ефективността на панелите, те се поставят върху динамични механизми, които наподобяват система за проследяване - те се въртят, за да следват движението на слънцето. Процесът на преобразуване на енергията се извършва в тръби във вътрешността на кутиите.

Основната разлика между соларните термични системи и соларните панели е, че първите загряват охлаждащата течност, а вторите съхраняват електроенергия. Възможно е да се отоплява и чрез фотоволтаични клетки, но схемите не са рационални и са подходящи само за райони с поне 200 слънчеви дни в годината.

Схема на устройство за отоплителна система със слънчев колектор, свързан с котел, и резервен източник на енергия (напр. газов котел), работещ с традиционни горива (+)

Разнообразие

В най-широкия си смисъл терминът "соларен панел" се отнася до устройство, което може да преобразува енергията, излъчвана от слънцето, в използваема форма за използване в различни области на човешката дейност. За отопление на жилища се използват два вида слънчеви панели.

Фотоволтаични клетки

Батериите от този клас често се наричат преобразуватели, тъй като преобразуват енергията на слънчевата радиация в електрическа енергия. Тази трансформация е възможна благодарение на свойствата на полупроводниците. Фотоволтаичната клетка се състои от два материала, единият от които е с проводимост на дупките, а другият - с електронна проводимост.

Фотоволтаични клетки

Потокът от фотони, който съставлява слънчевата светлина, кара електроните да напускат орбитите си и да преминават през Pn прехода, което е действителният електрически ток.

В зависимост от вида на използвания материал се различават три вида фотоволтаични клетки: силициеви клетки, филмови клетки и концентраторни клетки.

Силиций

Повече от три четвърти от всички произвеждани днес соларни панели са от този тип. Това се дължи на разпространението на силиция в земната кора и на факта, че повечето технологии за производство на полупроводникова електроника са ориентирани към работа с този материал.

От своя страна клетките на силициева основа се разделят на две разновидности:

• Монокристални: най-скъпият вариант с ефективност между 19% и 24%;
• поликристални: по-достъпни, но с ефективност между 14% и 18%.

Филм .

При производството на фотоелементи от тази група се използват полупроводници с по-висок коефициент на поглъщане на светлината от моно- или поликристалния силиций.

Това позволи да се намали дебелината на елементите с един порядък, което се отрази положително на тяхната цена. Използвани са следните материали:

• кадмиев телурид (коефициент на полезно действие - 15% до 17%);
• аморфен силиций (коефициент на полезно действие 11% - 13%).

Концентратор

Тези батерии имат многослойна структура и се характеризират с най-висока ефективност от приблизително 44%. Основният материал, използван при производството им, е галиев арсенид.

Оборудване на отоплителната система

Отоплителната система, базирана на фотоволтаични батерии, се състои от следните компоненти:

• самата батерия;
• акумулатор;
• Контролер: той контролира процеса на зареждане на батерията;
• Инвертор: преобразува постоянния ток от батерия или акумулатор в променлив ток с напрежение 220 V;
• конвектор, бойлер за гореща вода или друг вид електрически нагревател.

Мрежова фотоволтаична система

Слънчеви колектори

Този тип радиатори се състоят от няколко боядисани в черно тръби, през които се изпомпва топлоносителят, циркулиращ в отоплителната система. Слънчевата топлинна енергия се абсорбира от средата без преобразуване. В повечето случаи като среда се използва смес на основата на пропиленгликол (с антифризни свойства), но има и колектори, ориентирани към работа с въздух. След като се нагрее, тя се влива директно в отопляваното помещение.

Слънчеви колектори

Най-простият слънчев колектор се нарича плосък колектор. Те са проектирани като кутия, изработена от стъкло с тъмно покритие, която е в контакт с топлоносителя, преминаващ през тръбите. Вакуумните колектори имат по-сложна конструкция. В такива батерии тръбите, съдържащи топлоносителя, са разположени в херметически затворен стъклен корпус, от който се отвежда въздухът. По този начин тръбите, съдържащи средата, са заобиколени от вакуум, което елиминира загубата на топлина при контакт с въздуха.

Очевидно е, че производството на слънчеви колектори се основава на по-проста технология, отколкото производството на фотоволтаични клетки. Следователно разходите са по-ниски. В същото време ефективността на тези инсталации достига 80-95 %.

Обхват на соларното оборудване

Основните елементи на соларните системи (соларни панели за дома) са:

• слънчев колектор;
• Циркулационна помпа (системи с естествена циркулация могат да липсват, но те са неефективни);
• резервоар с вода, който действа като топлинен акумулатор
• Воден отоплителен кръг, състоящ се от тръби и радиатори.

Схематично изпълнение на слънчева топлинна система с ежедневно съхранение на енергия

Предимства на слънчевите панели

Най-важното предимство на фотоволтаичните преобразуватели е тяхната независимост от организацията на ресурсите. Електричеството се произвежда напълно самостоятелно, без връзка с мрежата. Необходим е само източник на слънчева светлина, като системата не може да работи през нощта. Има и други предимства:

• Екологичност. Системата не влияе по никакъв начин на околната среда и не отделя вредни вещества.
• Дълъг живот. Оборудването може да работи почти неограничен период от време, ако периодично се обслужва от специалисти.
• Пълна безшумност при работа.
• Възможно е да се увеличи капацитетът на системата чрез добавяне на нови модули.
• Възвращаемост на оборудването. Цената на комплекта постепенно се възвръща на собственика под формата на спестени разходи за енергия. След няколко години оборудването вече започва да носи печалба.
• Цената на комплектите непрекъснато намалява. Производствените обеми на такова оборудване са големи и това води до спад на цените. Една система от слънчеви панели за дома, закупена след няколко години, ще бъде по-евтина от тази, закупена днес, и това дава увереност в развитието на технологиите и наличието на оборудване.

Тръбни слънчеви колектори

Тръбните слънчеви колектори се състоят от отделни тръби, през които преминава вода, газ или пара. Това е един от видовете системи с отворен колектор. Въпреки това топлоносителят вече е много по-добре защитен от външни негативни влияния. Особено във вакуумни системи, които се основават на принципа на термоса.

Всяка тръба е свързана към системата поотделно, паралелно една на друга. Ако една тръба се повреди, тя може лесно да се замени с нова. Цялата конструкция може да се сглоби директно върху покрива на сградата, което значително улеснява монтажа.

Тръбният колектор има модулна структура. Основният елемент е вакуумната тръба, а броят на тръбите варира от 18 до 30, което позволява прецизно съгласуване на капацитета на системата.

Голямо предимство на тръбните слънчеви колектори е цилиндричната форма на основните елементи, която позволява улавянето на слънчевите лъчи през целия ден, без да са необходими скъпи системи за проследяване на дневната светлина.

Специално многослойно покритие създава оптичен капан за слънчевите лъчи. Диаграмата частично показва външната стена на вакуумна крушка, която отразява лъчите върху стените на вътрешната крушка.

Прави се разграничение между тръбни и коаксиални слънчеви колектори.

Коаксиалната тръба е съд на Диайор или познатият термос. Те се състоят от две колби, между които се изпомпва въздух. Вътрешната повърхност на вътрешната крушка има високоселективно покритие, което ефективно абсорбира слънчевата енергия.

При цилиндричната форма на тръбата слънчевите лъчи винаги падат перпендикулярно на повърхността.

Топлинната енергия от вътрешния селективен слой се предава на топлинната тръба или вътрешния топлообменник, изработен от алуминиеви плочи. На този етап се получава нежелана загуба на топлина.

Епруветката за пера представлява стъклен цилиндър с поставен вътре абсорбер за пера.

Системата получава името си от перовия абсорбер, който плътно обгръща топлинния канал, изработен от топлопроводим метал.

Въздухът се отвежда от тръбата, за да се осигури добра топлоизолация. Топлообменът от абсорбера е без загуби и поради това ефективността на тръбите с пера е по-висока.

Термотръбата е запечатан контейнер с лесно изпаряваща се течност.

Тъй като лесно изпаряващата се течност се стича естествено към дъното на термоямката, минималният ъгъл на наклона е 20°.

Във вътрешността на термотръбата има летлива течност, която абсорбира топлината от вътрешната стена на колбата или абсорбера на перото. Вследствие на температурата течността кипи и се издига като пара. След като топлината се отдаде на отоплителния уред или на носителя на гореща вода, парите се кондензират в течност и се стичат надолу.

Водата при ниско налягане често се използва като лесно изпаряваща се течност.

Системата с директен поток използва U-образна тръба, през която циркулира вода или отоплителна течност.

Едната половина на U-образната тръба е за студената среда, а другата - за загрятата среда. При нагряване нагревателят се разширява и се влива в резервоара за съхранение, като позволява естествена циркулация. Както и при системите с термична тръба, минималният ъгъл на наклона трябва да бъде най-малко 20⁰.

При системите с директен поток налягането в системата не може да бъде високо, тъй като в колбата има технически вакуум.

Правопроходните системи са по-ефективни, тъй като загряват топлоносителя веднага.

Ако системите за слънчеви колектори са предназначени за целогодишна употреба, в тях се вкарват специални течности против замръзване.

Плюсове и минуси на тръбните колектори

Използването на тръбни слънчеви колектори има редица предимства и недостатъци. Конструкцията на тръбния слънчев колектор се състои от еднакви елементи, които се подменят сравнително лесно.

Предимства:

• ниски топлинни загуби;
• способност за работа при температури до -30⁰C;
• ефективна работа през всички часове на деня;
• добро представяне в райони с умерен и студен климат;
• ниска плаваемост, обоснована от способността на тръбните системи да пропускат въздушните маси;
• Възможност за постигане на висока температура на топлоносителя.

В структурно отношение тръбната конструкция има ограничена повърхност на отвора. Той има следните недостатъци:

• не могат да се почистват сами от сняг, лед и замръзване;
• висока цена.

Въпреки първоначално високите разходи, тръбните колектори имат по-бърз период на възвръщаемост. Те имат дълъг експлоатационен живот.

Тръбните колектори принадлежат към слънчевите инсталации от отворен тип, поради което не са подходящи за целогодишна употреба в отоплителни системи.

Видове слънчеви панели

Съществуват различни видове фотоволтаични преобразуватели. Различни са материалът, от който са изработени, и технологията. Всички тези фактори влияят пряко върху работата на тези преобразуватели. Някои фотоволтаични клетки имат ефективност от 5-7 %, а най-успешните скорошни разработки показват 44 % и повече. Ясно е, че разстоянието от разработката до използването в бита е огромно както от гледна точка на времето, така и на средствата. Но можем да си представим какво ни очаква в близко бъдеще. За да се получат по-добри характеристики, се използват други редкоземни метали, но с подобряването на характеристиките се стига до прилично увеличение на цената. Средната ефективност на сравнително евтините слънчеви преобразуватели е 20-25%.

Силициевите слънчеви модули са най-разпространените

Силициевите слънчеви клетки са най-разпространените. Този полупроводник е евтин и производството му е усвоено отдавна. Но те не са с най-висока ефективност - тези 20-25%. Ето защо днес се използват предимно три вида слънчеви преобразуватели:

• Най-евтините са тънкослойните батерии. Те представляват тънък слой силиций върху носещия материал. Силициевият слой е покрит със защитно фолио. Предимството на тези елементи е, че те работят дори при разсеяна светлина, поради което е възможно да се монтират дори на стените на сградите. Недостатъците са ниската ефективност от 7-10 % и постепенното разрушаване на силициевия слой въпреки защитния слой. Въпреки това, като се заема голяма площ, е възможно да се получи електричество дори при облачно време.
• Поликристалните слънчеви клетки се произвеждат от разтопен силиций чрез бавно охлаждане. Тези клетки се различават по яркосиния си цвят. Тези слънчеви клетки имат по-добър добив: ефективност от 17-20%, но са неефективни при разсеяна светлина.
• Най-скъпите от цялата тройка, но и доста разпространени, са монокристалните слънчеви клетки. Те се произвеждат чрез разделяне на единичен силициев кристал на пластини и имат характерна геометрия със скосени ъгли. Тези клетки имат ефективност между 20 и 25 %.

Сега, когато видите етикетите "моно" или "поликристален соларен панел", ще разберете, че става въпрос за начина на производство на силициевите кристали. Освен това ще знаете каква ефективност можете да очаквате от тях.

Батерия с монокристални преобразуватели