Содержание

1. Слово к кулибиным
2. Чего можно ожидать?
3. Коллекторы
4. Покупные СК
5. Самодельные СК
6. Концентраторы света
7. Батареи
8. Покупные СБ
9. СБ и самоделки
10. Установка и юстировка
11. В заключение
> Обсуждение

Интерес к альтернативной энергетике неуклонно растет. Причин тому множество, и вполне объективных. Самый мощный и стабильный источник экологически чистой энергии – Солнце. Хотя по себестоимости утилизированная солнечная энергия пока уступает производимой в промышленных масштабах, ее преобразователи в тепло или электричество – солнечные панели – приобретают или мастерят своими руками многие. Дом с дающими электричество солнечными батареями и генераторами тепла – солнечными коллекторами – на крыше, в наши дни не редкость и в местах с достаточно суровым климатом, см. рис. Тем более что такое достоинство излучения Солнца, как полная независимость от техногенной среды и природных катаклизмов, заменить пока нечем.

Дом с солнечным тепло- и электроснабжением

Картинка для иллюстрации недаром взята «зимняя»: современные модели солнечных коллекторов способны давать в систему отопления теплоноситель с температурой +85 градусов Цельсия в пасмурный день при морозе –20 снаружи. По цене такие гелиоустановки достаточно доступны, но требуют для изготовления развитой производственной базы. Если же стоит задача обеспечить ГВС на даче или в загородном доме в теплое время года, когда автономное отопление выключено, то сделать пригодный для этого солнечный коллектор своими руками вполне возможно. А при наличии навыков домашнего мастера среднего уровня – установку, которая и зимой поможет отопительному котлу сэкономить немалую толику топлива, а хозяевам – деньги на него. Возможны и другие применения самодельных солнечных коллекторов; хотя бы – подогрев воды в бассейне. Цены фирменных образцов этого вида явно несуразны в сравнении с их возможностями, и там нет ничего, чего нельзя было бы сделать самому.

С автономным солнечным энергоснабжением дело сложнее. Скажем прямо: солнечных электростанций общего пользования, по всем параметрам превосходящих традиционные ТЭЦ, ГЭС и АЭС, на сегодняшний день не существует. И, пока генерация электроэнергии от Солнца не будет перенесена в космос и для этого не будет использоваться его спектр полностью, вряд ли возможна. В Евразии крайние северные точки, где срок окупаемости больших гелиоэлектростанций оказывается хоть немного меньше срока их службы – острова Эгейского моря и Туркмения.

Однако индивидуальная покупная солнечная электростанция может оказаться выгодной и в средне-высоких широтах при условии тщательного технико-экономического расчета и выбора подходящей модели; не последнюю роль в этом играет стабильность электроснабжения в данной местности. А понятие солнечная батарея своими руками может иметь вполне определенный и положительный для владельца экономический смысл, если соблюдены некоторые необременительные и бесплатные условия ее изготовления и эксплуатации, в следующих случаях:

• На даче, если батарея выставляется на Солнце (засвечивается) только на время ее посещения, об этом см. далее.
• Для зарядки мобильных телефонов или электропитания радиоприемников, нетбуков и т.п. вдали от цивилизации.
• В загородном доме для постоянного жилья – для электропитания маломощных, неприхотливых и не жизненно важных, но действующих долгое время потребителей: ламп освещения, внутренних и наружных, ноутбуков, компьютеров с UPS и т.п. «Накручивают» на счетчике они все-таки немало, но, если рассчитывать только на них, то сложность создания и стоимость постройки солнечной электростанции падают в разы.
• 

  Надувная лодка с электроприводом от солнечной батареи

  Охотникам, рыболовам, туристам, натуралистам, фотографам-пейзажистам и анималистам и прочим, проводящим много времени на природе, как мобильный и достаточно мощный источник энергии. Взгляните, напр., на рис. справа; к этой лодке мы еще вернемся. Запас хода по спокойной воде в пасмурный день – от 30 км; в ясный день летом практически неограничен. Ход настолько малошумен, что позволяет подбираться на дистанцию съемки или выстрела к таким осторожным птицам, как дикие гуси.

Как же приобрести или сделать самому эти полезные устройства, чтобы потом не жалеть о зря выброшенных деньгах? Вот этому и посвящена настоящая статья. С небольшой добавкой о солнечных концентраторах, или гелиоконцентраторах. Эти устройства собирают излучение Солнца в плотный пучок, прежде чем передать его на преобразование. В некоторых случаях добиться требуемых технических показателей установки иным путем невозможно.

В целом материал организован в 5 разделов с подразделами:

1. Существенные особенности использования солнечной энергии.
2. Солнечные коллекторы (СК), покупные и самодельные.
3. Солнечные концентраторы.
4. Солнечные батареи (СБ), в том же порядке.
5. Правильная установка и юстировка СК и СБ.
6. Вывод в заключение.

Слово к кулибиным

Любители делают солнечные батарейки из самых разных подручных материалов: полупроводниковых диодов, транзисторов, разобранных допотопных селеновых и купроксных выпрямителей, самостоятельно окисленных на электроплитке медных пластин и др. Максимум, что удается от них запитать – приемник или плеер с током потребления до 50-70 мА на средней громкости. Больше принципиально невозможно; почему – см. в разд. об СБ.

Однако порицать любителей технических экспериментов было бы совершенно глупо. Томас Альва Эдисон сказал однажды: «Все знают, что это сделать невозможно. Находится невежда, который этого не знает. Он-то и делает изобретение». В любом случае прикосновение к тонкостям высоких технологий и глубинам материи (а СБ – зримый пример того и другого) дает знания и умение их применять, т.е. сообразительность. А они – капитал, который никогда не обесценивается и доходность которого выше любых ценных бумаг.

Тем не менее, даже самые общие теоретические основы всего дальнейшего материала таковы, что самое «чуть-чуть на пальцах» выливается не в статьи – в книги. Поэтому мы далее ограничимся теми образцами на разные случаи жизни, которые можно изготовить самостоятельно дома, не вполне забыв, чему в школе учили (их, между прочим, не мало); это во-первых. Во-вторых, из них ограничимся устройствами, реально дающими тепло или ток, пригодные для бытовых и хозяйственных нужд. Некоторые утверждения автора вам тогда придется принять на веру, или обратиться к фундаментальным источникам.

Чего можно ожидать?

Вот пример разговора по телефону с торговым менеджером фирмы, продающей СБ: «А при каких условиях ваша батарея развивает заявленную мощность?» – «При любых!» – «И в Мурманске (за Полярным кругом) зимой тоже?» – молчание, отбой.

Теперь посмотрим на верхнюю карту рис. ниже. Там – районирование РФ по инсоляции специально для нужд гелиоэнергетики. Не для аграриев, растения за миллиарды лет эволюции жизни научились использовать солнечный свет экономнее. Допустим, мы живем в месте, где поток энергии Солнца 4 кВт/ч на 1 кв. м в день. В средних широтах, от весеннего до осеннего равноденствия и с учетом изменения высоты стояния Солнца в течение дня и по сезону, продолжительность светового дня примем что-то около 14 час. Точнее для конкретного географического пункта можно рассчитать на онлайновых калькуляторах, есть такие.

Ресурсы солнечной энергетики в России

Тогда поток энергии Солнца у нас выходит на круг 4/14 = 0,286 кВт/кв. м или 286 Вт/кв. м. При КПД гелиоустановки 25% (а это хороший показатель), с квадрата удастся снять 71,5 Вт мощности, тепловой или электрической. Если средне-долговременной потребляемой мощности (см. далее) нужно 2 кВт (это типичный случай), то панель преобразователя нужна площадью 2000/71,5 = 27,97 или 28 кв. м; это 7х4 м. КПД 25% – не занижено ли? Да, из панелей можно выжать и больше. Значительная часть дальнейшего материала посвящена тому, как именно.

Примечание: для справки – солнечная постоянная, т.е. плотность потока энергии Солнца во всем спектре излучения от сверхдлинных радиоволн до сверхжесткого гамма-излучения, в космосе на земной орбите составляет 1365,7 Вт/кв. м. На экваторе в полдень в дни равноденствия (Солнце в зените) – около 1 кВт/кв. м. Торговцы частенько этого не знают, но вы-то имейте в виду.

Хорошо, а как же тогда обещания производителей? Панель, допустим, 1х1,5 м, и для нее заявляют мощность в 1 кВт. Вроде бы и не против физики с астрономией, но выглядит в средних широтах под шубой атмосферы явно нереально. Правильно заявляют, не врут. Только измерена мощность на их испытательном стенде под специальными лампами. Если хотят быть со мной честными до конца, пусть приезжают и светят ими на мою панель, а электричество для этого берут где угодно.

Карта под первой нужна, чтобы дополнительно определиться с ценовой категорией или выбором конструкции предполагаемой установки. СБ и, особенно, СК, способные работать в пасмурную погоду, сложнее и дороже тех, которые действуют только на прямом свету. В году 365х24 = 8760 часов. С учетом того, что в высоких широтах летом продолжительность светового дня больше, СК или СБ могут в Якутске или Анадыре оказаться окупаемыми в течение расчетного срока эксплуатации, а в Подмосковье или Рязани – нет. Т.е. имейте также ввиду, что гелиоэнергетика как выгодное подспорье обычной возможна не только в Сахаре или пустыне Мохаве.

Промежуточный итог

Из этого раздела следует важный для всего дальнейшего вывод: присматривая панель для покупки или повторения, интересуйтесь прежде всего площадью эффективно воспринимающей (или поглощающей) свет поверхности, а уж по ней подсчитывайте все остальное. Причем может оказаться, что по маркетинго-потребительским представлениям панель вроде бы худшая в данном конкретном случае выйдет выгоднее «крутой».

Коллекторы

Принцип работы

В основе работы любого СК лежит парниковый эффект. Сущность его хорошо известна: возьмем открытую с одной стороны камеру с поглощающей свет поверхностью. Закроем ее крышкой, прозрачной для видимого света (желательно также – ультрафиолета, УФ), но хорошо отражающей тепловое (инфракрасное, ИК) излучение. Этим условиям в значительной степени удовлетворяют силикатное стекло и оргстекла; почти полностью – кварцевое стекло и др. минеральные стекла на основе плавленого кварца.

Примечание: называть пропускающие УФ стекла минеральными вообще-то неправильно, т.к. силикатное стекло тоже минеральное. Лучше было бы сохранить прежнее название «кварцевое стекло», т.к. большую часть шихты для выплавки УФ-прозрачных стекол составляет дробленый кварц. Есть еще турмалиновые стекла, но не для быта – в переплавку на них идут кристаллы драгоценных камней.

Солнечный свет, попав в камеру, поглотится ею, и камера нагреется. Чтобы избежать теплопотерь, снабдим ее теплоизоляцией. Тогда тепловая энергия превратится в ИК, но через крышку оно выйти наружу и рассеяться не сможет. Теперь ИК не остается ничего иного, как греть помещенный внутрь теплообменник с теплоносителем или продуваемый через камеру воздух. Если их нет, температура внутри будет повышаться до тех пор, пока разность температур внутри и снаружи не «продавит» избыточное тепло сквозь теплоизоляцию и не установится термодинамическое равновесие.

Модель абсолютно черного тела

Что такое АЧТ

Чтобы лучше разобраться в дальнейшем, вам нужно знать, как работает пирамидальная, или игольчатая, модель абсолютно черного тела (АЧТ); поскольку другие нам не понадобятся, далее, если речь пойдет о модели АЧТ, «пирамидально-игольчатая» везде опускаем. В рунете, и в инете вообще, о ней толком ничего не доищешься, но в лабораторной практике и технике такие успешно применяются. Как она устроена – ясно из рис. справа. А в данном случае – поглощение света в СК будет тем лучше, чем ее покрытие или сама конфигурация эффективно поглощающей поверхности (ЭПП) ближе по свойствам к модели АЧТ.

Примечание: АЧТ называется тело, поглощающее электромагнитное излучение любой частоты. Древесная сажа, напр. – не АЧТ, при фотосъемке через ИК-фильтр она выглядит светло-серой. Пирамидально-игольчатая модель АЧТ способна поглощать любые, не только электромагнитные, колебания. Так, в акустике поролоновыми пирамидками оклеивают внутренние поверхности звукомерных камер.

Покупные СК

Если вы решили купить солнечный коллектор, вам придется столкнуться с вилкой цен за 1 кв. м поглощающей площади в 2000-80 000 руб. И учтите, на вид выставляется только итоговая стоимость, а площадь ЭПП если и прописывают, то мелким шрифтом. Также, выбирая модель, нужно обязательно поинтересоваться, комплектуется ли она накопительным баком и элементами обвязки, о них подробнее см. далее. Попробуем разобраться, чем объясняется такой разнобой и всегда ли он оправдан.

Примечание: теоретически срок службы СК неограничен. Практически – у более-менее приличных моделей при правильной эксплуатации составляет не менее 15 лет. Поэтому при обоснованном выборе с окупаемостью проблем не возникает, лишь бы климат позволял их использовать.

Виды и назначение

В быту более всего применяются СК 3-х видов конструктивного исполнения, см. рис. Слева – плоский СК, в центре – вакуумный, справа – компактный. Все они могут выполняться как безнапорными, на термосифонной циркуляции, так и напорными. Первые в 1,5-5 раз дешевле напорных аналогов, т.к. в них проще обеспечить прочность и герметичность. Безнапорные СК греют теплоноситель относительно медленно, поэтому предназначены более для ГВС в теплое время года. Обвязка простая и недорогая; иногда совмещается с панелью в один конструктив.

Солнечные коллекторы бытового назначения

В напорных теплоноситель либо прокачивается циркуляционным насосом (что делает их энергозависимыми), либо в теплообменник подается водопроводная вода. Это, разумеется, требует конструкции прочнее и надежнее, плюс сложная энергозависимая обвязка и управляющий ею контроллер. Растет соответственно и цена. Но только напорные СК пригодны для отопления дома в холодное время года, т.к. греют быстро. Большинство моделей – всесезонные; продаваемые в РФ, с учетом климатических условий, чаще всего рассчитаны на совместную работу с котлом отопления, т.е. являются вспомогательными устройствами.

Напорные СК бывают прямого и косвенного нагрева. В первом случае СК включается непосредственно в контур СО (системы отопления). Во втором – первый, воспринимающий солнечную энергию, контур СК заполняется антифризом, а вторичный теплоноситель нагревается в теплообменнике 2-го контура.

Вторые, естественно, дороже, т.к. способны работать в мороз в любом климате. Первые применяются преимущественно для отопления весной и осенью. Тем не менее, именно напорные СК прямого нагрева (одноконтурные) скорее всего окажутся выгодными для индивидуальной СО: в межсезонье, на очень малой мощности, КПД котла на твердом топливе сильно падает. Но как раз в это время тепловой мощности СК на дом и хватит, стоят же одноконтурные относительно недорого. Нужно только предусмотреть в СО соответствующую запорно-распределительную арматуру и осенью до настоящих холодов СК отключать и опорожнять.

Плоские

Устройство плоского солнечного коллектора

Схема плоского СК приведена на рис. справа; принцип действия полностью соответствует описанному выше. Работоспособны такие, как правило, только в теплое время года. КПД, в зависимости от конструктивного исполнения, лежит в пределах 8-60% Воду выдают с температурой до 45-50 градусов. Напорными выпускаются крайне редко, усложнение конструкции при этом делает их неконкурентоспособными с вакуумными. Уплотнения теплообменника рассчитаны на заполнение только водой, т.к. летом в антифризе нет нужды. На цену (подчеркнем – за 1 кв. м ЭПП; нужно каждый раз пересчитывать самому по данным спецификации) влияют в основном следующие факторы:

• Покрытие (прозрачная изоляция) стекла.
• Разновидность самого стекла.
• Конструкция и качество поглощающей панели.

Покрытие стекла играет роль прежде всего просветляющей пленки в оптических приборах: уменьшает преломление света на границе раздела сред и светопотери на боковое отражение. В правильно установленных летних СК (см. в конце, перед заключением) эти потери невелики или, в южных краях, вовсе незаметны. Кроме того, покрытие истирается несомой ветром пылью и гарантия на него чаще всего не распространяется. Поэтому покрытие – первое, на чем возможно сэкономить. Если заметна разница в цене за счет покрытия для схожих по техданным моделей – берите «голую», скорее всего не разочаруетесь.

Собственно стекло – важнейший элемент и ориентироваться при выборе нужно прежде всего по нему:

1. Минеральное – пропускает УФ, что намного усиливает парниковый эффект.
2. Текстурированное (структурированное) – имеет на поверхности специальный микрорельеф, обеспечивающий практически равную эффективность на прямом и рассеянном свете, т.е. в ясную и пасмурную погоду.
3. Минеральное структурированное – сочетает оба эти качества и вдобавок практически не дает бокового отражения в довольно большом диапазоне углов падения без просветления.
4. Силикатное с присадками – структурированное или нет, не пропускает УФ, неважно отражает ИК и дает без просветления значительное боковое отражение. На КПД более 20% с ним рассчитывать не следует.
5. Органическое – с любыми усовершенствованиями через 5-7 лет максимум помутнеет от пыли, но отдельные его виды способны обеспечить максимальные значения КПД.

Исходя из этого, для СК постоянного пользования выбор следует делать в пользу минерального структурированного стекла. Оно позволяет обойтись меньшей площадью СК и зачастую в конечном итоге выиграть на стоимости всей установки. На даче выходного дня важна также скорость нагрева воды и начальная стоимость коллектора, поэтому туда более подойдет СК с оргстеклом. Установка, кроме дешевизны, будет компактнее и легче; на будни и на зиму ее можно закрывать чехлом или вовсе уносить в дом, так что износостойкость в данном случае фактор не определяющий.

Свойства светопоглощающих покрытий

Под хорошим стеклом КПД СК от конструкции поглощающей панели (абсорбера) зависит мало. Не то – поглощающее покрытие (зачернение) ЭПП. Свойства различных покрытий солнечных абсорберов показаны на рис. справа. Закономерность – как всегда, чем эффективнее, тем и дороже. Здесь опять необходимо просчитывать разные модели, выходя на минимум стоимости 1 кв. м панели. И вообще, при любых расчетах СК, надо помнить, как отченаш – наибольшая экономия достигается сокращением необходимой площади панели (панелей). Заодно проверяются и продавцы: если, скажем, в спецификации заявлена селективная покраска и обещают КПД 75% – посылайте их на испытательный стенд под лампы, там жарко, как в аду. Ясно ведь, что КПД всей установки не может быть выше, чем ее части.

О баке

Накопительный бак для СК необходим не только удобства ради. На карте выше даны среднегодовые значения инсоляции. Для летней установки при расчете их можно повысить примерно в 1,7 раза, а для сезонной весна-лето-осень – на 25%. Но и это будет только средним значением, теперь по сезону. А в зависимости от погоды величина инсоляции может «прыгать» день ото дня в 1,5-3 раза в зависимости от местного климата. Накопленная в баке нагретая вода, при условии хорошей его теплоизоляции, примет излишек тепла в ясный жаркий день и отдаст в пасмурный. В результате действительный КПД установки возрастает на четверть-треть. А в конечном итоге, грамотно поколдовав над местными данными, в средней полосе РФ частенько удается сократить требуемую площадь ЭПП вдвое и более против определенной прикидочным расчетом, приведенным выше. Соответственно – и затраты на установку.

Описываемые ниже вакуумные СК без бака-теплоаккумулятора неработоспособны. В них он либо включен в готовый конструктив, либо входит в комплект поставки. А вот с плоскими СК ситуация прямо противоположная и напоминает положение дел с фототехникой во время агонии «мокрой» пленочной фотографии. Тогда, напр., за отличную зеркальную «Минолту» с зум-объективом просили аж $190. А самый дрянной фотоувеличитель стоил где-то $600. Т.е., взял одно, без другого уже не обойдешься, так что – выворачивай карманы.

Применительно к плоским СК, цены на опциональные или рекомендуемые фирменные баки для них выглядят завышенными просто безобразно. Поэтому, если вы умеете мастерить, бак лучше делать самому, выдержав только предписанный в спецификации на панель его объем. И не верьте угрозам торговцев – самодельный бак можно сделать ничуть не худшим «фирмы». Как – об этом далее, в разделе о самоделках.

Вакуумные

Вакуумные СК способны нагревать теплоноситель до 80-85 градусов, а их КПД достигает 74% и только у самых дешевых бывает ниже 50%. Частично это определяется конструкцией поглощающей панели из рядов труб; промежутки между ними действуют наподобие модели АЧТ, только по одной координате. Но главную роль для обеспечения высокой эффективности здесь играет то, что теплообменник располагается в вакуумной колбе или системе таких колб. Дело тут не в теплоизоляции (для излучений вакуум ее вовсе не дает), а в отсутствии конвекции воздуха в камере. Это позволяет распределить температуру по поверхности теплообменника оптимальным образом. В газонаполненной камере конвекционные потоки ее выравнивают.

На рис. показано устройство 2-х самых употребительных видов вакуумных СК. Слева – 1-контурный летний или сезонный. Примерно так устроена показанная выше на рис. с типами СК российская «Дачница». Заправляются такие водой, ее температура на выходе – под 60 градусов. Здесь особенно ясно видна роль вакуума: если в колбу натечет воздух, его конвекция выровняет температуру внутренней трубки и никакой «термосифонки» в ней не будет.

Устройство вакуумных солнечных коллекторов

Оболочка колбы выполняется из стекол разных видов, см. выше. Внутренняя трубка – приемник энергии (ПЭ) и теплообменник. Много споров, вплоть до взаимных оскорблений и поношений на форумах, порождает вопрос: что лучше зачернять – внутреннюю трубку снаружи или внутреннюю поверхность оболочки? С точки зрения наивысшего КПД – ПЭ. При этом потери ИК минимальны, т.к. оболочка выполняется их хорошо отражающего ИК стекла. Именно так устроены приборы для измерения инсоляции – актинометры, только там вместо трубок сферы.

Недорогую безнапорную вакуумную СК для мест с небольшой инсоляцией и сиянием поэтому лучше брать с зачернением ПЭ, однако в южных регионах со среднегодовой инсоляцией более 4 кВт*ч/день при величине сияния свыше 2000 час/год она в разгар лета может закипеть, а это почти всегда означает разгерметизацию и полный выход из строя. Здесь надежнее будет система с зачернением оболочки изнутри.

Также с зачернением оболочки изнутри выполняются СК напорные (врезка слева вверху на рис.) В таком случае ценой некоторой утечки ИК через оболочку достигается высокая его концентрация по оси колбы, что необходимо для хорошего и быстрого прогрева сильного потока воды. Дополнительно в самых эффективных 1-контурных напорных СК зачерняют еще центральную (подающую) трубу, но греет она преимущественно обтекающий ее восходящий поток.

Справа на рис. – 2-контурная СК с тепловой трубкой и двойной колбой из стекла разных сортов. Именно такие и питают СО круглый год теплоносителем с температурой под 90 градусов: концентрация ИК на тепловой трубке обеспечивает испарение теплоносителя 1-го контура. Который, между прочим, совсем не вода. Поэтому 2-контурные СК саморемонту не подлежат. Эффективность денег стоит, и в данном случае больших. Поэтому, копаясь в прайсах-прейскурантах, сугубое внимание обращаем на:

• Производит ли поставщик расчет установки по данным измерений на месте.
• Входит ли в комплект поставки обвязка (см. ниже).
• Осуществляют ли фирменные специалисты подключение установки к имеющейся СО.
• Гарантируются ли в таком случае заявленные параметры.
• Как долго действует гарантия.
• Предоставляется ли и сколько стоит плановое и внеочередное техобслуживание.

Подключение и обвязка

Круглогодичные напорные СК для предотвращения замерзания и разрыва зимой заполняются антифризом. Упрощенная схема их подключения показана слева на рис: контроллер по соотношению температур на подаче, обратке и в баке «раскручивает», насколько требуется, циркуляционный насос.

Подключение напорных солнечных коллекторов

Напорные отопительные гелиосистемы комплектуются аккумулирующим баком с теплоизоляцией. В РФ более всего продаются системы, предназначенные для подключения к действующей СО с котлом. Водонагреватель для системы солнечного отопления должен иметь соответствующую конструкцию, в центре на рис. Кроме дополнительного змеевика для подключения котла (в баке вверху), нижний, запитываемый от СК, разделяется на 2 части; верхняя примерно вдвое больше нижней и навивается конусом, внизу в баке. Нижняя спираль возбуждает конвективный ток воды, а верхняя осуществляет теплоотдачу в него.

Такое решение необходимо, чтобы температура обратки котла не упала ниже 45 градусов, иначе в нем может выпасть кислотный кондесат, быстро выводящий котел из строя. Когда Солнце не светит и СК котлу помочь ничем не может, в конической спирали образуется водяная пробка, не позволяющая холодной «подушке» подняться вверх к змеевику котла.

Помимо специального бака, при включении СК в домашнюю СО необходима и обвязка для него, справа на рис. Прежняя обвязка котла (на рис. условно не показана) полностью сохраняется! Котел «чувствует» работу СК только как потепление погоды! Собственно процедура подключения солнечной системы к СО несложна: подачу и обратку СО отключают от котла и подключают к баку СК. А соответствующие патрубки котла подключают к штуцерам верхнего теплообменника бака СК.

О модульных СК

Описанные выше системы представляют собой цельные конструктивы. Но в продаже есть и модульные СК, набираемые из панелей до получения нужных параметров, напр, российский «Гелиопласт», см. рис. справа. Подключая панели параллельно или последовательно, можно получить либо больший поток теплоносителя, либо большую его температуру. Стоимость модульных СК немала, напр. 1 панель «Гелиопласта» стоит около $300. Однако, переключая трубопроводы трехходовыми вентилями, можно всю систему переводить из режима «весна-осень» на «лето» и обратно. Или, к примеру, «душ/кухня – бассейн».

Примечание: модульные СК, как более дорогие, рассчитаны на эксплуатацию при любых плюсовых температурах, или – от +(10-15), и в пасмурную погоду.

Компактные

Осталось упомянуть о компактных СК. Используются они, как правило, для подогрева воды в бассейнах, чтобы большими техногенного вида конструкциями пейзаж не портить. Цены относительно техпараметров – несусветные; Мерседес-Бенц с его «за звездочку», тут, как говорится, отдыхает. Конструкция несложна и вполне повторяема своими руками, см. в разделе о концентраторах света.

Самодельные СК

Для самостоятельного изготовления доступны более всего плоские дачно-загородные летние СК для ГВС. Сезонно-отопительные оказываются настолько сложными и трудоемкими, что проще и выгоднее выходит купить готовую панель. Зато по части самоделок из подручных материалов умельцы иногда создают образцы, уступающие лучшим промышленным разве что по внешнему виду, но обходящиеся буквально в копейки. Пойдем по порядку.

Ящик, стекло, утепление

Корпус самодельного плоского СК лучше всего делать из дерева, фанеры, ОСП и т.п. Долговечность и стойкость ему придаст двукратная пропитка водно-полимерной эмульсией перед покраской. Толщину днища желательно брать от 20 мм (лучше – от 40), чтобы от термических деформаций не образовались щели. На боковины пойдет доска (120-150)х20. Ниже корпус делать нежелательно, т.к. усилится утечка ИК сквозь стекло. Снаружи окрашивают как угодно, а внутри – как подложку «пирога», см. ниже. Размеры в плане рассчитываются исходя из величины инсоляции и требуемой мощности.

Стекло лучше взять подешевле и полегче, органическое. Хорошо подойдет монолитный поликарбонат толщиной 4 мм: его светопропускание приемлемо, 0,92, цена невысока, а относительно небольшой коэффициент преломления обеспечит небольшое боковое отражение. Плохое пропускание УФ частично компенсируется малой теплопроводностью. По поверхностной износостойкости поликарбонат – одно из лучших органических стекол, для дешевой самоделки его хватит.

Утепляют корпус пенопластом; для летнего СК достаточно 20-30 мм. Утепляют в 2 слоя равной толщины с прокладками из алюминиевой фольги, но об этом ниже. Утеплять ящик прочности ради нужно изнутри. Если вы читали статьи об утеплении зданий, учтите: при разности температур, которую плоский СК обеспечивает, и при достаточно высокой температуре снаружи говорить о блужданиях точки росы не приходится.

Абсорбер света самодельного солнечного коллектора

Непременное дополнение к утеплению – герметизация всех стыков и мест проводки трубопроводов силиконом. Сквозь малейшую щелочку с током воздуха «высвистит» столько тепла, что толку от СК если и будет, так только «для вида». Сначала герметизируют корпус (до покраски); после установки теплообменника – трубки, а стекло укладывают на «колбаску» герметика, нанесенную в выбранную по верху бортов четверть. Дополнительно фиксируют сверху рамкой, скобками и т.п.

Пирог

«Пирог» (см. рис. справа) в данном случае – хорошо поглощающая ИК-излучение подложка и быстро, пока ИК-кванты не успели «удрать», отдающая тепло в теплообменник. Основа «пирога» ­– алюминиевая пластина. Медь подходит хуже из-за высокой теплоемкости. Дополнительные экраны из фольги большую часть «беглецов» возвращают обратно; дерево и пенопласт для ИК – материалы не вполне непрозрачные.

Вторая изюминка «пирога» – покраска. Красят заодно с уже установленным на хомутах теплообменником. Красить нужно масляной (медленно сохнущей) черной краской на пигменте «Сажа газовая»; его можно приобрести в художественных магазинах. Краски на основе синтетических пигментов в ИК-лучах будут совсем не черными.

После покраски нужно подождать, пока краска не подсохнет до сухого отлипа, т.е. на ней после легкого нажатия пальцем должен остаться его отпечаток, а сам палец не испачкаться. Тогда красочное покрытие пробивают поролоновым тампоном или очень мягкой торцевой кистью. Последнее лучше, но требует определенного навыка, чтобы не проткнуть еще мягкое покрытие насквозь. В итоге получится пленка, довольно-таки напоминающая по свойствам модель АЧТ.

Примечание: очень хороший вариант – старая тонкостенная штампованная отопительная батарея. Тогда не нужно искать алюминий. Только красить надо, как описано выше, а не оставлять как было, см. рис.

 

 

Теплообменник

Самый простой и достаточно эффективный теплообменник – спиральный из тонкостенного пропиленового шланга, см. рис. справа. Он сам по себе уже похож на модель АЧТ. Медный такой же будет еще лучше, но значительно дороже. Однако у плоского спирального теплообменника есть неприятное свойство: в любом положении, кроме строго горизонтального, со временем неизбежно завоздушивание: при нагреве из воды выделяется растворенный в ней воздух, а восходящих дуг, где ему можно скапливаться – хоть отбавляй. Тем не менее, теплообменник в виде плоской спирали может найти применение в самодельном СК для бассейна с компактным концентратором, см. далее.

Солнечный коллектор из шланга

Лучший теплообменник – зигзагообразный из медной трубки с просветом диаметром 10-12 мм. Почему именно таким? Потому, что для быстрейшего нагрева воды в баке тепловая мощность камеры СК должна быть немного больше той, которую способен принять теплообменник с водой и при заданной разнице температур; для самодельных СК – 15-25 градусов. Иначе температура воды на выходе будет сначала слишком низкой, и ей придется сделать много оборотов в системе, пока бак нагреется.

Второй параметр, который обусловил выбор трубки – сопротивление току воды. При увеличении просвета трубы с 5 до 10 мм оно падает быстро, а далее – медленнее. Третий фактор – минимально допустимый радиус ее изгиба, 5 диаметров для тонкостенной трубки без покрытия (для сплит-систем кондиционеров). Тогда ширина петель зигзага получается 100 мм, что как раз оптимально с точки зрения теплопередачи. И можно пользоваться обычным ручным трубогибом.

Примечание: эти соотношения справедливы для описанного «пирога» на алюминиевой подложке. Что касается штампованных радиаторов отопления, то там все просчитано до нас. То, что хорошо отдает тепло, хорошо его и поглощает. Это одна из аксиом термодинамики.

Не зная этих обстоятельств, можно совершить типичные ошибки, см. рис. Слева – толстая труба с широкими петлями не примет сразу все генерируемое ящиком тепло. Плохой КПД, медленный нагрев. В центре наоборот, мощность камеры для данного теплообменника недостаточна. КПД может быть приемлемым, но греться бак будет все равно долго. Кроме того – кошмарная работа по сборке, выявлению и устранению утечек («Все герметичные стыки текут» – один из законов Мерфи). Справа – все вроде бы ОК, включая покрытие теплообменника (радиатор старого холодильника). Но просвет трубки – 3-4 мм, этого мало. «Не протолкнувшемуся» к воде ИК деваться некуда, кроме как зря наружу, а повышенное сопротивление току жидкости (вода – не фреон) гарантирует низкий КПД и медленный нагрев.

Малоэффективные теплообменники самодельных солнечных коллекторов

Примечание: КПД описанного выше СК при аккуратном исполнении превышает 20%, что сопоставимо с промышленными образцами данного типа.

Снова бак

Пришло время заняться баком-аккумулятором вплотную: без него от СК толку будет чуть. Начнем с расчета объема – нам нужно за день взять от Солнца все, что позволяет СК и сохранить подольше; это особенно важно, если от панели задействовано и отопление. Маленький бак скоро прогреется и затем СК будет «кочегарить» без пользы, т.к. разогреваться до бесконечности он не может. В слишком большом баке вода за день не успеет нагреться до температуры, которую способен обеспечить СК, и мы опять же не используем полностью тепловой потенциал данной площади. Почему берем – за день? Потому, что рассчитываем на сезонное использование с подогревом, а к ночи уже может понадобиться отопление. Летом же на даче – чтобы помыться, не дожидаясь вечера; желательно – нескольким людям.

Пусть места у нас не совсем хмурые, и 4 кВт*ч/день мы получаем. Тогда, см. выше, Солнышко на 1 кв. м изливает мощность 286 Вт. Размеры ЭПП возьмем 1х1,5 м (это для примера, сделаете большую – хуже не будет), т.е. площадь ЭПП – 1,5 кв. м; КПД СК примем 20%. Получаем: 286 Вт х 1,5 х 0,2 = 85,6 Вт, это тепловая мощность нашей панели. 1 Вт = 1 Дж*с, т.е. каждую секунду СК выдает в трубу (подающую) 85,6 Дж. А за 12 световых часов – 85,6 х 12 х 3600 = 3 697 720 Дж или 3 697,72 кДж.

Сколько воды сможет принять это в себя? Зависит от разности температур. Возьмем исходную в 12 градусов (мелкозаглубленный водопровод весной/осенью или колодец); конечную – 45 градусов, т.е. нагрев будет на 33 градуса. Теплоемкость воды – 1 ккал/л или 4,1868 кДж/л (1 кал – 4,1868 Дж). При нагреве на 33 градуса 1 л воды примет 4,1868 х 33 = 138,1644 кДж. Емкость понадобится всего-то чуть больше 26 л. Летом, при высоком стоянии Солнца и длинном световом дне – под 50 л. Или, в расчете на несколько ясных дней кряду и хорошей теплоизоляции бака – до 200 л. Что, в общем-то и сложилось стихийно: баков, больших, чем из бочки, любители не делают.

Погодите, но ведь люди-то под солнечным душем моются? Отопление – шут пока с ним, ясно, что тут нужны как минимум 4 панели. И теплопотери не мешало бы учесть, хотя бы 20% от накопленного за ночь. Верно, на то и техника, чтобы обходить ограничения упрямой теории. К слову: «Нет ничего практичнее хорошей теории» – это все тот же великий практик Эдисон. Только технические выкладки и расчеты оказываются куда более громоздкими, поэтому даем просто результат – схемы баков с питанием от водопровода и с ручным наполнением, см. рис.

Схемы баков для самодельных солнечных коллекторов

Идея – чтобы одному можно было помыться летом уже спустя 1,5-2 часа после включения СК. Т.е., отбираем верхний нагретый слой воды; в случае ручного наполнения – заборником из гибкого шланга на поплавке. Длину гибкого звена нужно брать умеренную: при слишком коротком в полном баке шланг встанет торчком, а слишком длинный при низком уровне воды ляжет на стенку бака.

Расположение патрубков рассчитано так, чтобы при любом использовании горячие и холодные потоки как можно меньше перемешивались, т.е. мы нарочно расслаиваем воду по температуре. Лучший сосуд для бака – бочка, уложенная на бок. Тогда шлам (отстой) займет малую часть его емкости. Утепление – пенопласт от 50 мм. И нужно предусмотреть еще 1 сливной патрубок с запорным вентилем в наинизшей точке всей системы, при входе обратки в СК. Еще не забудьте – отборный патрубок обратки должен быть приподнят над днищем, иначе шлам скоро засорит СК, а чистить его трудно. Трубы – обычные водопроводные, от 1/2 до 3/4 дюйма. Гибкое звено – армированный ПВХ шланг для полива; его поплавок – пенопласт.

Примечание: возвышение стока обратки над днищем взято в расчете на обычную в РФ жесткость питьевой воды до 12 нем. градусов. По санитарным нормам ее предельное значение – 29 нем. градусов. Тогда возвышение обратки нужно брать 80-100 мм, а патрубок подачи горячей поднять над ним на те же 20-30 мм.

О воздушно-солнечных СК

Иногда бывает необходимо греть от Солнца не воду, а воздух. Не обязательно для отопления; допустим, для сушки урожая или сбора. Вследствие малой теплоемкости воздуха конструкция воздушного СК должна иметь ряд особенностей. Подробнее о них, а заодно о применении СК для воздушного отопления (для сезонной дачи это весьма актуально), можно узнать из ролика:

Видео: самодельное воздушно-солнечное отопление

Необычные самоделки

Воздушный солнечный коллектор из алюминиевых банок

Мастер-любитель не был бы им, если бы не стремился все сделать по-своему из подручного хлама. И, надо сказать, результаты бывают удивительные. Все оригинальные самодельные СК обозреть в одной публикации невозможно, возьмем 3 для примеров, так сказать, разного знака.

На рис. – воздушный, т.е. проще водяного, СК из пивных банок. Не будем хихикать в кулак или возмущаться: «Да я же столько не выпью!» Поглядим технически. Сама идея весьма даже здравая: провалы между рядами банок приближают способность панели поглощать свет к модели АЧТ. Но! Материалы – алюминий, дерево, силиконовый герметик. Их коэффициенты температурного расширения (ТКР) существенно различны. Стыков – более 200. Элементарный подсчет с учетом закона больших чисел показывает, что, если к концу первого сезона эксплуатации панель не потечет сильно, это чудо.

А вот солнечный коллектор из пластиковых бутылок на рис. ниже выглядит не столь изящным, но вполне работоспособен. В сущности, это цепочка линейных светоконцентраторов, см. далее. Емкости собираются в «колбасы», как при постройке теплиц, парников, беседок и т.п. легких построек из бутылок, но нанизываются не на жесткий стержень, а на прозрачный ПВХ шланг. Тыльная сторона «колбас» оклеивается алюминиевой фольгой, хотя бы рукавом для запекания. В данном случае используется тот факт, что вода сама по себе неплохо поглощает ИК. КПД установки невелик, зато стоимость – судите сами. А за Солнце налога пока не берут.

Самодельный солнечный коллектор из пластиковых бутылок

Еще интересная самоделка из бутылок – узбекский «Илдар», см. рис. ниже. Принцип действия тот же; в наших краях весьма желательно нижнюю поверхность бутылок фольгировать. При монтаже на южном скате крыши не требуется рам, подпорок, переборки кровли и усиления ригеля (несущего каркаса) крыши. Стыков много, но стыкуются сходные по ТКР материалы, так что надежность достаточная. Самым крепким будет стык по поз. Б, когда бутылки напяливаются друг на друга. Повторяют «Илдар» мало, а зря. Видимо, смущает то, что ток воды показан обратный термосифонному. Но термосифонный напор гораздо слабее гравитационного из бака, так что «Илдар» вполне работоспособен.

Солнечный коллектор из бутылок “Илдар”

Примечание: в бутылочных СК длину 1 «колбасы» нужно в средних широтах брать около 3 м, а в параллель соединять таких побольше, сколько бутылок есть или сколько место позволяет.

Концентраторы света

Светоконцентратор – система зеркал или линз, собирающая свет с освещенной площади и перенаправляющая его в определенное место. Светоконцентраторы не делают всю гелиоустановку компактнее, как иногда пишут. Плюс, точнее – минус, в том, что коэффициент светопропускания собирающей системы редко достигает 0,8; чаще всего – 0,6-0,7, а для самоделок – порядка 0,5. Солнечный концентратор, или гелиоконцентратор, позволяет решить следующие задачи:

1. Упростить конструкцию приемника излучения, сделать самую сложную часть гелиосистемы компактнее и уменьшить количество требующих герметизации стыков в ней.
2. Увеличить освещенность приемника излучения и тем самым усилить светопоглощение.
3. Повысить температуру теплоносителя, что дает возможность полнее использовать накопленную энергию.
4. Упростить процедуру ориентации приемника излучения на Солнце; в ряде случаев возможна однократная юстировка по меридиану и углу места.

Пп. 1 и 3 позволяют в промышленных установках добиться большего общего КПД системы. Дома сделать такие установки сложно, т.к. требуется система непрерывной точной ориентации на Солнце. А вот пп. 2 и 4 могут помочь домашнему умельцу.

Примечание: любой гелиоконцентратор собирает только прямые лучи. Если вы рассчитываете на использование своей установки и в пасмурную погоду, светоконцентраторами можно не заниматься.

Основные схемы солнечных концентраторов показаны на рис; там везде 1 – собирающая система, 2 – светоприемник. Бывают еще компактные концентраторы, одним из них займемся ниже. А пока – схемы в) и д) требуют непрерывного отслеживания Солнца; схема в), кроме того – изготовления параболического зеркала. Можно приспособить спутниковую тарелку, но цены на них, надо полагать, знаете. И нужно делать электронику, управляющую прецизионным 2-координатным электромеханическим приводом. Схема с линзой Френеля г) иногда используется для повышения эффективности малогабаритных солнечных батарей, но они при этом гораздо быстрее деградируют, см. далее.

Мы займемся линейными концентраторами, пп. а) и б), как наиболее пригодными для самодельных гелиоустановок. Схема в виде полуцилиндрического зеркала а) в общем рассмотрена ранее, вместе с бутылками. Можно только добавить, что ориентировать ее (см. далее) можно как по меридиану, так и перпендикулярно ему в зависимости от того, как требуется направить ток воды в трубе-приемнике. Этот концентратор ускоряет нагрев воды, но при ориентации по меридиану значительно сокращает длительность светового дня для приемника, т.к. при углах падения сбоку более примерно 45 градусов от нормали свет вообще не улавливает. Переотражение в нем всегда однократное. Коэффициент светопропускания в системе алюминиевая фольга + ПЭТ 0,35 мм – около 0,7.

Концентратор из зеркал косого падения б) улавливает свет в пределах углов падения от нормали в 60 градусов и более. Может выполняться линейным и точечным. Видимое сокращение светового дня летом в южных краях с ним почти незаметно. Однако утром и вечером КПД установки сильно падает, т.к. свет тогда испытывает до 4-5 переотражений. Для справки: коэффициент отражения оптически полированного алюминия – 0,86; оцинкованной стали – около 0,6.

Все же для желающих сделать такой приводим профиль зеркал, см. рис. Шаг сетки выбирается исходя из реальных размеров установки. Учтите, что юстировка нужна хоть и однократная, но точная: 22 июня или в ближайшие к нему дни в астрономический (не поясной!) полдень крылья сводят/разводят и подгибают так, чтобы каустика (яркая полоса сконцентрированного света) легла точно по трубе-приемнику. Ее диаметр – около 100 мм, материал – тонкий зачерненный металл.

Профиль солнечного концентратора с зеркалами косого падения

Больший интерес для самодельщика представит, вероятнее, 1 из видов компактных неориентируемых концентраторов, см. след. рис. Его вообще не нужно наводить на Солнце: установленный горизонтально, он собирает его лучи в пределах углов падения до 75 градусов от нормали, которая в данном случае направлена в зенит. Т.е., берем описанный выше СК из шланга, свитого в спираль, снабжаем этим концентратором, и получаем подогреватель воды для бассейна.

Компактный неориентируемый солнечный концентратор

Чтобы свести лучи Солнца в точку, пояса концентратора нужны параболического профиля (врезка слева вверху на рис.), но у нас приемник протяженный круглый, поэтому можно обойтись коническими. Какие при этом размеры и соотношения нужно выдержать, ясно из рис. Крайний пояс (обозначен красным) эффективности устройства почти не увеличивает, без него лучше обойтись. Светопропускание – около 0,6, поэтому толк от этого концентратора будет только в ясный летний день. Но бассейн-то как раз тогда и нужен.

Батареи

Теперь займемся солнечными батареями (СБ). Для начала – немного теории, без этого не понять, что и когда в них хорошо и плохо. И как правильно выбрать СБ для покупки или сделать самому.

Принцип работы

В основе СБ лежит элементарный полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), см. рис. справа; если кто-то углядит там «нескладушки» со школьной электростатикой, учтите: заряды получают энергию от постороннего источника – Солнца. Способность полупроводников пропускать электрический ток описывается зонной теорией проводимости, созданной в 30-х годах прошлого века трудами в основном советских физиков. Штука это очень сложная, ее понимание требует знания квантовой механики и ряда других дисциплин. Очень упрощенно (да простит физик-технолог, если прочтет) принцип действия ФЭП выглядит следующим образом:

Устройство фотоэлектрического преобразователя (ФЭП)

1. В кристалл кремния высокой чистоты вводятся, каждая в свою область, донорные и акцепторные примеси из металлов, атомы которых способных встраиваться в кристаллическую решетку кремния, не нарушая ее; это т. наз. легирование. n-область (катод) легирована донорами; p-область (анод) – акцепторами.
2. Доноры создают в своей области избыток электронов; акцепторы в своей – равных им по величине положительных зарядов – дырок, это вполне корректный физический термин. Электроны и дырки от легирующих присадок это т. наз. неосновные носители зарядов. Дырки – не античастицы позитроны, это просто места, где электрона не хватает. Дырки могут блуждать (дрейфовать) в пределах кристалла, т.к. акцепторы все время перехватывают друг у друга электроны.
3. Электроны с дырками притягиваются друг к другу, стремясь взаимно нейтрализоваться (рекомбинировать).
4. В кристалле (вот тут-то вовсю и разыгрываются его квантовые свойства) свободно соединиться за конечный промежуток времени они не могут, поэтому в пограничном слое образуются большие объемные заряды соответствующего знака; в целом же пограничный слой электрически нейтрален.
5. Солнечная энергия как бы выбрасывает электроны из пограничного слоя в катод и на отрицательный электрод-токосъемник.
6. Дырки за электронами последовать не могут, т.к. дрейфовать способны только в пределах кристалла.
7. Электронам ничего не остается, как пройти по электрической цепи и отдать полученную от Солнца энергию потребителю, это и есть электрический фототок.
8. Оказавшись в анодной области, электроны получают очередной «пинок» от квантов солнечного света, который не дает им рекомбинировать с дырками и запускает в цепь снова и снова, пока кристалл освещен.

Еще слово к кулибиным

За самодельные СБ берутся чаще всего радиолюбители и электронщики. Как правило, в основах теории полупроводников они разбираются. Для них, на всякий случай, поясним, чем отличается ФЭП от похожего на него диода, и почему выжать значительный фототок из кристаллов диодов/транзисторов не получится:

• Степень легирования анода и катода ФЭП на порядки, и даже на много порядков выше, чем у активных электронных компонент.
• Катод и анод легированы примерно в одинаковой степени, насколько позволяет планарно-эпитаксиальная технология.
• Пограничная область широкая (назвать ее p-n переходом в данном случае можно только с большой натяжкой), чтобы было больше «рабочего пространства» для квантов света, а объемный заряд в ней весьма велик. В производстве компонент электронных схем стремятся к обратному, чтобы повысить быстродействие.

Особенности структуры ФЭП исходят из того, что он не приемник электроэнергии в виде приложенного напряжения, а ее генератор. Отсюда следуют выводы, важные уже для любых пользователей:

1. Т.к. попавших в кристалл квантов света всегда больше, чем свободных электронов там, лишние кванты тратят свою энергию на возбуждение атомов кристалла, отчего он со временем портится, это т.наз. деградация или старение ФЭП. Попросту говоря, СБ изнашивается, как и любая техника, и со временем садится, как и любая электрическая батарея.
2. Прохождение электрического тока при подключении ФЭП к цепи потребителя ускоряет деградацию, т.к. принудительно дрейфующие в кристалле электроны, так сказать, бьют по атомам и постепенно выбивают их со своих мест.
3. Запас энергии в ФЭП определяется величиной объемного заряда, солнечный свет только инициирует его перераспределение.
4. ФЭП и состоящие из них СБ боятся загрязнений: постепенно проникая (диффундируя) в кристалл, они нарушают его структуру. «Ядовитые» примеси есть и в воздухе, а «смертельная» для фотоэффекта их доза ничтожна.

П. 3 требует дополнительных пояснений. Именно: СБ не способна выдавать экстраток. К примеру, стартерная аккумуляторная батарея (АКБ) емкостью в 90 А/ч кратковременно выдает ток в 600 А. Теоретически – еще много более, пока не взорвется от перегрева. Но, если в спецификации на СБ написано «Ток КЗ (короткого замыкания) 6А», то больше из нее и не выжать никакими способами.

Примечание, на всякий случай: легировать кремний до бесконечности нельзя, он превратится просто в грязный металл («высокая» степень легирования выражается десятичной дробью со многими нулями после запятой). А в металлах внутреннего фотоэффекта не бывает. Эффект Холла можно с трудом нащупать, но фотоэффект принципиально невозможен: зону проводимости металлов заполняет вырожденный электронный газ, он просто не пустит кванты внутрь, оттого металлы и блестят. Да, зона в данном случае – не область пространства, а совокупность состояний частиц, описываемая системой квантовых уравнений.

Устройство

Один ФЭП без нагрузки создает разность потенциалов 0,5 В. Она определяется квантовыми свойствами кремния и ни от каких внешних условий не зависит. Под нагрузкой напряжение ФЭП падает, т.к. его внутреннее сопротивление велико. Квантовая механика закона Ома не отменяет. Поэтому напряжение батареи берут с полуторным запасом: если, к примеру, 12 В СБ набирается из модулей на 0,5 В, то их берут по 36 на столб, что даст напряжение ХХ (холостого хода) в 18 В. На полуторную перегрузку по напряжению питания рассчитываются все потребители постоянного тока. Ток КЗ одного ФЭП – от нескольких до сотен мА; он зависит от площади экспонированной (освещенной) поверхности элемента.

В продажу и на сборку поступают модули (элементы) из многих ФЭП, соединенных на общей подложке последовательно, параллельно или и так, и этак; их напряжение ХХ и ток КЗ указываются в спецификации на изделие. С этим связано распространенное заблуждение, что, мол, СБ нужно набирать только из элементов на 0,5 В, а другие – некондиция. Наоборот, модули от добросовестного производителя на, скажем, 6V 4W, т.е. на 6 В и 0,67 А, будут надежнее самосборных с теми же параметрами. Хотя бы потому, что здесь ФЭП выращены на одной пластине и их параметры точно совпадают.

В схеме солнечной батареи SB (см. рис.) модули PE соединяются в столбы E, обеспечивающие нужное напряжение; как правило – 12, 24 или 48 В. Столбы для получения требуемого рабочего тока соединяются параллельно. Т.к. модули в столбах не обязательно выполнены из одного и того же кристалла, внутренние сопротивления столбов несколько различаются, «плывет» и напряжение под нагрузкой. Через столбы малость помощнее (с меньшим внутренним сопротивлением) потечет обратный ток, а от него деградация ФЭП происходит стремительно. Радиолюбителям можно вспомнить, что, если диод хоть чуть-чуть приоткрыть «со стороны», он начинает пропускать и обратный ток, на этом основана работа тиристора. Поэтому столбы блокируются от «обратки» диодами VD. Чаще всего используют диоды Шоттки, т.к. падение напряжения на них невелико и дополнительного охлаждения на больших токах им не требуется. Но иногда (см. далее, о СБ-самоделках) может понадобиться и диод с p-n переходом.

Электрическая принципиальная схема солнечной батареи с обвязкой

При включении/выключении мощных потребителей неизбежно возникают т. наз. переходные процессы, сопровождающиеся экстратоками. Всего на несколько мс, но нежной СБ этого хватит, чтобы быстро сесть. Поэтому к СБ для питания мощных устройств обязательно необходима буферная АКБ GB. Управляет распределением токов в СБ контроллер C; это управляемый источник тока, регулирующий и ограничивающий рабочий ток СБ совместно с током заряда АКБ. В простейшем случае разряд АКБ – свободный сообразно уровню потребления. Инвертор I преобразует постоянный ток от АКБ в переменный 220 В 50 Гц или другой, какой требуется.

Примечание: обвязка справа на схеме (C, I, GB) может обслуживать несколько или много SB. Тогда получим солнечную электростанцию (СЭС).

Очень важные обстоятельства, следующие из вышесказанного: первое, АКБ должна быть включена в схему постоянно. Строить СБ по схеме «глухих» UPS, в которых АКБ дает ток только при пропадании сети – значит обречь СБ на быструю деградацию вследствие экстратоков. Ресурс АКБ в «проточной» схеме существенно снижается, но тут уж ничего не поделаешь, разве что использовать дорогие АКБ с гелевым электролитом. Так что не надо и еще раз не надо конструировать СБ с компьютерными UPS. Второе – рабочий ток нужно брать примерно 80% от тока КЗ. Если, к примеру, по расчету вышел ток первичной цепи 12 В в 100 А, то СБ нужно проектировать на 120 А.

Третье – в данной схеме при глубоком разряде АКБ возможен обратимый системный отказ, когда все исправно, а тока нет. Поэтому в реальных СЭС обвязку дополняют сигнализацией переразряда АКБ (пищит еще противнее, чем UPS без сети) и автоматикой, выключающей инвертор, если хозяева проигнорировали сигнал. В самых дорогих СЭС инвертор имеет несколько выходов, проводка 220 В – несколько ветвей, и автоматика отключает потребителей в порядке, обратном их приоритету; холодильник, напр., последним.

Конструкция электрической солнечной панели

СБ без обвязки принято называть солнечной панелью. Ее конструкция (см. рис.) обеспечивает прежде всего уменьшение световой деградации, затем – эффективное использование света и механическую прочность. Первое дает главным образом специальное стекло, отсекающее кванты, которые наверняка не дадут тока; чувствительность ФЭП к лучам разных зон спектра существенно неравномерна. Некоторую фильтрацию света дает и пленка ЭВА, но она более предназначена для повышения эффективности: уменьшает светопреломление и боковое отражение, т.е. просветляет покрытие. Стекло, ЭВА и элементы под ней «слеплены» в единый пирог без воздушных зазоров, так что подобная конструкция – не для любителей. ПЭТ-подкладка, во-первых, механический демпфер(кристаллический кремний – вещество хрупкое, а пластины элементов тонкие). Во-вторых, она изолирует модули от корпуса панели электрически, но обеспечивает теплоотдачу греющихся в работе элементов, т.к. ПЭТ получше других пластиков проводит тепло. О диодах уже было сказано. Весь пирог помещается в прочный металлический корпус (он же служит теплоотводом) и тщательно герметизируется.

Гибкая солнечная батарея

Примечание: в продажу поступают и гибкие СБ, см. рис. справа. Они могут быть дешевле и эффективнее жестких панелей той же мощности, но помните – эти СБ не рассчитаны на преобразование отдаваемого тока. Применяются гибкие СБ в основном для питания потребителей постоянного тока небольшой мощности в разного рода мобильных или удаленных необслуживаемых объектах.

 

Покупные СБ

Чтобы подготовиться к покупке или изготовлению СБ или СЭС, нужно усвоить понятия пикфактора, пикового и долговременного энергопотребления. В быту это проще, чем в сложных энергосистемах. Допустим, у вас на щитке со счетчиком стоят автоматы защиты или пробки на 25 А. Тогда от сети вы можете взять до 220х25=5500 Вт или 5,5 кВт. Это и есть ваше пиковое потребление, но, если рассчитывать электросеть на пик, то она выйдет неоправданно дорогой: мощные потребители не включаются надолго и все сразу.

Электрики при расчете электросетей берут пикфатор = 5; соответственно, долговременная потребляемая мощность будет 0,2 от пиковой. В нашем случае – 1,1 кВт. Однако, если рассчитать СЭС на такой пик, то емкость АКБ получится слишком большой, сама батарея – дорогой, а ее ресурс – гораздо меньше нормального. Для минимизации стоимости СЭС ее пикфактор нужно брать вдвое меньше, 2,5. В СЭС СБ «тянут» долговременную нагрузку, а пики берет на себя АКБ, т.е. нам в данном случае нужна СБ на 2,2 кВт и АКБ, способная отдавать 5,5 кВт в течение часа или 1,1 кВт в течение 12 час (темное время суток).

Экономика

Цена СБ на рынке держится в пределах 50-55 руб. за 1 Вт мощности для поликремниевых батарей (см. ниже) и 80-85 руб./Вт для монокремниевых. Но тут вмешиваются дополнительные обстоятельства:

• КПД монокремниевых СБ более чем вдвое выше чем поликремниевых (22-38% против 9-18%) и они долговечнее.
• Мощность поликремниевых СБ в пасмурную погоду падает меньше, и по истечении срока службы они полностью деградируют медленнее.
• Коэффициент использования энергии (КПД по энергии) буферной кислотной АКБ составляет 74%, а прочие их типы, кроме ужасно дорогих литиевых, для буферизации СБ подходят плохо.

С учетом этих факторов и климатических условий РФ цена 1 Вт выравнивается и оказывается около 130-140 руб./Вт. СБ на 1,1 кВт, таким образом, обойдется где-то в 140-150 тыс. руб. Надолго ли ее хватит? Сроки службы СБ никак не регламентированы; производители дают обычно 5, 10, 15 и 25 лет. Что по данным выходного контроля 5 лет не протянет, идет в продажу поэлементно для самосборки. Учтите, самодельщики!

Цена готовой СБ, разумеется, растет сообразно сроку службы. По изучении фирменных деклараций и подсчетов наиболее окупаемыми оказываются СБ на 15 лет. Здесь есть коварная тонкость: СБ выпускаются кондиций Grade A, Grade B, Grade C и Ungrade (некондиция). Соответственно, мощность СБ к концу срока службы падает на величину до 5%, 5-30% и свыше 30%. Однако, если вы купите СБ Grade A на 5 лет, то рассчитывать, что она потом протянет еще 25, пока не зачахнет на 30%, нельзя. Вследствие возрастания нагрузки на оставшиеся исправными ФЭП в элементе процесс деградации развивается лавинообразно: поли- держатся еще полгода-год, а моно- 2-4 месяца.

Итак, считаем дальше. При правильном выборе первичного постоянного напряжения (см. далее) за 15 лет понадобится 1 замена АКБ стоимостью около 70 тыс. руб. Плюс обвязка, провода, шины, коммутационные элементы, металлоконструкции или работы на крыше, это еще примерно 150 тыс. руб. Около 30 тыс. обойдется аккумуляторная; ставить АКБ в жилых помещениях категорически нельзя. Имеем:

1. СБ – 150 000 руб.
2. АКБ – 140 000 руб.
3. Обвязка – 150 000 руб.
4. Аккумуляторная – 30 000 руб.

Итого 470 000 руб. СЭС под ключ той же мощности обойдется примерно в 1,2-1,5 млн. руб. Но насколько оправдано то или другое?

В 15 годах 15х24х365=131 400 часов. Мы за это время потребим 131 400х1,1=144 540 кВт/ч. 1 кВт/ч от своей СЭС обойдется в 470 000/144 540 = 3,25 руб. Действующие расценки (от 3,15 до более чем 6 руб.) вы знаете. Выгода вроде не очень, учитывая, что эти «пол-лимона» нужно еще где-то взять, не влезая в долги по теперешним кредитным ставкам. Тем не менее, строить себе СЭС уже оправдано в таких случаях:

• В удаленных труднодоступных местах с нестабильным энергоснабжением. Жизнь дороже любых тарифов. Хотя бы тепличных растений и домашних животных, дающих пропитание и доход.
• В товарных хозяйствах, требующих непрерывного энергообеспечения, тех же теплицах или, допустим, птичниках. Можно строиться на дешевой земле без инфраструктуры, а затраты на СЭС, возможно, сразу же окажутся меньше стоимости прокладки фидера электропитания.
• В больших домовладениях, систематически перебирающих базовый лимит потребления.
• В коллективном пользовании. Пример: СЭС на 15 кВт пиковых (3 средних дома) обойдется где-то в 1,5 млн. руб. самостроем или 2,5 млн. руб. под ключ. «Сбросившись» с соседями/родственниками, получим те же 500 000 руб. и 5 кВт на дом, но стабильно и безо всяких сношений с энергокомпаниями.

У кого брать?

Однако бежать «за батарейками» рано. На рынке СБ ситуация очень сложная: высокий и неупорядоченный, на грани ажиотажного, спрос во всем мире порождает жесткую и зачастую недобросовестную конкуренцию. Мировой лидер в данном сегменте – КНР, и благодаря не «китайским» ценам (они вовсе не демпинговые), а действительному качеству. Но Китай – страна очень неоднозначная; шанхайско-уханьских оффшорных подвальчиков, маскирующиеся под надежные госпредприятия, там хватает. С другой стороны, западные «киты» отрасли в панике под угрозой банкротства пускаются во все тяжкие, лишь бы товар вперить, не щадя своего доброго имени.

Инженерный калькулятор с солнечной батареей

В России по части выбора производителя есть неплохая отдушина. Электроника и полупроводниковая промышленность СССР и РФ по научно-техническому уровню всегда были на высоте; первые ЦП Intel, между прочим, делались из советского кремния, Силиконовая долина тогда еще разворачивалась. Но по валу советско-российская электроника заметна в мире никогда не была; работали в основном «на войну». В перестройку в продаже замелькали изделия лучше тогдашних мировых, но конкурировать с «акулами» было уже поздно. К примеру – см. рис. Работает безотказно до сих пор, расчеты к статье на нем делались. А у его более дорогих и с меньшими возможностями ровесников Casio и Texas Instruments клавиши стерлись и СБ сели уже давно.

Ныне в РФ действуют несколько предприятий, располагающих чистыми помещениями, обученным персоналом, инженерно-техническими кадрами и опытом работы в данной сфере. На плаву они держатся благодаря правильной рыночной тактике: закупают у проверенных китайских поставщиков компоненты СБ, пропускают через собственных входной контроль и собирают в панели по всем правилам технологии. Заявленным параметрам их продукции можно верить безусловно. К сожалению, таких после прошедших пертурбаций осталось немного:

1. Телеком-СТВ в Зеленограде, торговая марка ТСМ.
2. РЗМКП, Рязань, ТМ RZMP.
3. НПП «Квант», Москва, складные переносимые СБ.

В последнее время на рынке СБ хорошо продвигается МикроАРТ (ТМ «Инвертор»), и вроде бы не зря. Но фальстартов в данном сегменте было и было, так что к «Инвертору» нужно еще присмотреться. Есть еще одно обстоятельство: пленка ЭВА. Она должна быть морозостойкой, иначе при минусовых температурах грубеет, постепенно отслаивается и СБ выходит из строя. Поэтому при выборе нужно обязательно смотреть диапазон рабочих температур и допустимое время воздействия минимальной. Или, в конечном итоге – срок гарантии в данных климатических условиях.

Какие брать?

То, что утверждения вроде «моно – круто, поли – отстой» скорее эмоциональны, чем обоснованы, вам, наверное, уже ясно. Разница между ними, кстати, не столь уж принципиальна. Кремниевые болванки высшей кондиции, наиболее однородно перекристаллизовавшиеся, идут на большие чипы. 1 кондиция – на среднюю степень интеграции, 2-я – на дискретные компоненты, и только 3-я – на СБ. «Моно» отличаются от «поли» тем, что в первых на срезе одного кристалла в болванке (кристаллита) выращивается несколько ФЭП или 1 большой; в поликремниевых СБ мелкие ФЭП занимают каждый примерно по 1-му также мелкому кристаллиту.

Поликристаллический и монокристаллические модули солнечных батарей

Однако производители и торговцы-жулики пытаются выдать вовсе негодные поли- за моно-, заменяя обозначение сходным по смыслу, но с буквой «м» в начале: мультикристаллические, микроструктурные и т.п. Поэтому напоминаем: поликристаллические модули СБ синего цвета, чаще всего с заметной иризацией (переливами цветов), слева на рис. Монокристаллические очень темные, до совершенно черных; иризация если и есть, то заметна мало, справа там же. А вообще-то на глаз или электрическими измерениями определить качество модуля невозможно, нужен лабораторный химический, кристаллографический и микроструктурный анализ. Чем торговцы-прощелыги вовсю и пользуются.

О первичном напряжении

Чаще всего рекомендуют брать СБ на 12 В. Мол, можно включать 12-вольтовые лампочки-экономки и не нужен спецконтроллер. Во-первых, оборудование постоянного тока на 24, 36 и 48 В вовсе не «спец», это стандартные значения ряда напряжений. Во-вторых, доля экономок в энергопотреблении – всего ничего, а отдельная проводка для них нужна. Но главное не в этом.

Выше подсчитано – для среднего дома нужна буферная АКБ на 5,5 кВт пиковых. Ток от нее при часовом разряде будет 5500/12 = 458,(3) или приближенно 460 А. В широкой продаже есть банки для АКБ емкостью до 210-240 А/ч, из них набирают стартерные АКБ тяжелой спецтехники. Не говоря о стоимости, без запараллеливания АКБ не обойтись, а работать в параллель АКБ любят не больше элементов СБ и по тем же причинам; это общее свойство всех источников постоянного тока. В итоге – АКБ за 100-120 тыс. руб. прослужит от силы 5-6 лет, и за 15 лет понадобится 2-3 ее замены.

А теперь возьмем «первичку» DC в 48 В. Лучше бы 60-72, постоянный ток до 100 В безопасен, только СБ таких не делают. В смысле воздействия на организм человека 50/60 Гц – самые опасные частоты, только деваться уже некуда, их значения сложились исторически. Тогда получим при часовом разряде 5500/48 = 114,58(6) А и емкость АКБ 120 А/ч. Это обычная автомобильная батарея, плюс можно использовать долговечные герметизированные AGM, GEL, OpzS, если денег на них не жалко. И прослужит худшая изо всех (автостартерная) не менее 8 лет, а то и все 15. А обойдется вдвое дешевле огромной.

Схема солнечной электростанции с буферной батареей на 48 В

Есть еще один нюанс. Взгляните на рис. – схему СЭС с первичкой 48 В. Справа внизу – главный автомат на 175 А. Для 12 В понадобится на 700 А. Видели ли вы такие в продаже? Постоянного тока? Сколько стоят? Плюс прочая сильноточная коммутация, автоматика, провода и шины. В общем, если отбросить торговые накрутки, то первичная цепь на 48 В сокращает стоимость СЭС вдвое и более.

Примечание: и упаси вас боже подключать СЭС к уличному вводу! Придется платить дядям по счетчику за свои расходы и труды. Нужно после счетчика поставить пакетник (это уже абонентская проводка и здесь вы полный хозяин, только о ТБ не забывайте) и переключаться обратно с Солнца на общую сеть, вдруг понадобится. Скажем, при замене АКБ или длительном ненастье.

СБ и самоделки

Первое, что надо знать гелиоэнергетику-любителю – в продажу вразброс идут модули отбракованные, которые 5 точно не прослужат. Даже если вы организуете дома чистое производство, они уже «отравлены» ядом медленного действия – вредными примесями. Вдобавок, чтобы сделать фирменный «пирог», нужна камера с глубоким вакуумом, поэтому собрать СБ придется в вентилируемом ящике, а значит – элементы подпадают под атмосферные влияния. Без отвода омического тепла модули СБ деградируют буквально на глазах. Так что на срок службы более 2-3 лет лучше не рассчитывать.

Тем не менее, самоделки могут быть полезными, т.к. 100 Вт их мощности обойдется менее чем в 3000 руб. Какие именно – посмотрим чуть ниже, а пока задержимся на технологии сборки. Достаточно полно она показана здесь:

Видео: изготовление солнечной батареи своими руками

Конструкторы для самостоятельной сборки солнечных батарей

Добавить можно немногое. Первое, не берите в работу явный брак, рассылаемый навалом, слева на рис. Лучше купить конструктор, см. рис. справа. Они комплектуются флюсовыми карандашами и специальными проводниками, что намного уменьшает паечный брак.

Неправильная сборка солнечных батарей

Паять обычным паяльником с канифольным флюсом (справа на рис. слева) тоже не нужно. Контактные площадки модулей серебрёные (кремний не паяется), слой серебра тоненький и держится еле-еле. В домашних условиях он наверняка выдерживает только 1-кратную пайку (на производстве автоматами – 3-кратную), причем паяльником с бронзовым никелированным жалом. Не пытайтесь залудить его, таким паяльником паяют всухую.

Впрочем, умельцы СБ паяют и обычными паяльниками со всяческими предосторожностями; как – можно посмотреть здесь:

Видео: лужение и пайка контактов

Третий момент – до сборки модули нужно откалибровать и столбы собирать из пластин с примерно одинаковыми параметрами (см.видео ниже). Набрать из некондиции модулей на 48-вольтовые столбы почти никогда не удается, так что самодельные СБ делают 12-вольтовыми или 6-вольтовыми.

Видео: калибровка элементов

Теперь о случаях, когда сделать солнечную батарею самому имеет полный смысл. Первый – описанная выше лодка-«резинка». Схема ее энергоустановки – на рис. ниже. Такая же подойдет и для дачи, только вместо мотора нужно включить инвертор 12VDC/220VAC 50 Hz на 200-300 Вт. Для телевизора, небольшого холодильника и музыкального центра этого хватит. Выключатель S2 рабочий, S1 – ремонтно-аварийный и для зимнего хранения.

Электрическая схема маломощной мобильной солнечной электростанции

Штука здесь в том, что падение напряжения на обычном диоде при увеличении тока через него возрастает. Ненамного, но в сочетании с ограничительным резистором Rp (то и другое рассчитано под свинцово-кислотную АКБ 12В 60А/ч!) перегрузка СБ по току длится даже при полностью «пустой» АКБ не более 2-3 мин. Если такая ситуация возникает раз в день, то СБ прослужит от 4 лет, т.е. больше, чем самосбор из некондиции. А бензиновый движок за это время съел бы топлива на сумму, много большую стоимости установки.

Второй случай – зарядка для мобильника. Для нее лучше купить готовый модуль на 6V 5W; схема к нему – на рис:

Схема зарядки мобильного телефона от солнечной батареи

Выключатель S1 и яркий белый светодиод D3 – тестовые. Если же вы хотите повозиться именно с солнечными модулями, то предлагаем ролики (см. ниже). В данном случае на СБ пойдет и явный брак поштучно, цена копеечная. Кстати, это хорошая практика работы с солнечными элементами прежде чем браться за большую СБ, и полезное приспособление будет.

Видео: мини солнечная батарея для зарядки телефона – сборка и тестирование

Установка и юстировка

Установка солнечных батарей и коллекторов стационарной конструкции производится чаще всего на крыше. Тут возможны 2 решения: либо разобрать часть кровли и включить корпус СК/СБ в силовую схему ригеля крыши (ее каркаса без кровельного пирога), а затем загерметизировать зазор, либо установить панель на подставках из металлических штырей, проходящих сквозь кровлю. А стропила, на которые пришелся крепеж, усилить поперечинами.

Первый способ, разумеется, труднее и требует довольно сложных строительных работ. Однако с его помощью решается не только проблема ветроустойчивости панели. Совсем небольшой подогрев корпуса со стороны чердака намного уменьшает вероятность отслоения пленки ЭВА и увеличивает надежность всей установки. Поэтому в местах с сильными морозами/ветрами он безусловно предпочтителен.

Что касается передвижных (мобильных) или отдельно стоящих наземных панелей, то их монтируют на объемный каркас либо подставку (опору) из металла, дерева и др. Если панель будет на каркасе, его нужно чем-то обшить, чтобы задувший сзади ветер не заставил панель продемонстрировать свои аэродинамические качества, довольно-таки неплохие.

Ориентировать на максимум среднегодовой (среднесезонной) инсоляции (юстировать) неподвижные панели нужно по возможности точнее. Курочка по зернышку клюет, а копейка рубль бережет – в данном случае эти поговорки сказываются в полной мере применительно к сроку окупаемости установки. Азимут выставляют точно по меридиану. Если вы для этого пользуетесь компасом, нужно учесть магнитное склонение места; в GPS или ГЛОНАСС устройствах – включить соответствующую поправку. Можно и отбить полуденную линию (это и есть меридиан), как описано в школьных учебниках по природоведению, географии, астрономии или, скажем, в руководствах по постройке солнечных часов.

Наклон панели по углу места ? в зависимости от его географической широты ? вычисляют для разных случаев с поправкой на наклон земной оси ?=23,26 градуса, вследствие которого высота стояния Солнца в средних широтах меняется по сезонам года:

• Для летних установок ? = ?-?; если ?=<0, панель укладывается горизонтально.
• Для сезонных весна-лето-осень ? = ?
• Для круглогодичных ? = ?+?

Если в последнем случае выйдет ?>90 градусов – вы за Полярным кругом, и зимняя панель вам не нужна. Далее для простоты и точности по углу ? вычисляют величину подъема северного края панели в единицах длины как h = Lsin?, где L – протяженность панели с юга на север. Скажем, панель длиной 2 м установлена вдоль по меридиану. ? вышел в 30 градусов. Тогда северный край (sin 30 градусов = 0,5) нужно поднять на 1 м. При sin? = 1 или около того панель ставится вертикально.

В заключение

Россию, что ни говори, нельзя назвать страной, идеальной для развития солнечной энергетики. Но невелика честь взять, что плохо лежит. А вот прийти к поставленной цели вопреки всему и когда всё против тебя – это большой успех надолго, если только цель достойная и полезная. Примеров в истории много: Голландия, Чили (окультуривание бесплодных земель), Япония – промышленный гигант, почти начисто лишенный источников сырья, в мире как в целом – освоение КВ-радиоволн радиолюбителями (специалисты во всеоружии тогдашних теорий считали их никуда не годными), а в России – хотя бы постройка Транссибирской магистрали, до сих пор аналогов себе не имеющей. Тут самодельшикам есть где разгуляться и, если случится «русское солнечное чудо», наверняка в этом будет и немалая их заслуга.

Содержание

1. Начальные положения
2. Чем греться?
3. Чем топить?
4. Отопление в доме
5. Планировка
6. Расчет теплопотерь
7. Ставим батареи
8. Выбираем систему
9. Разводка
10. Расчет котла
11. Видео: пример отопления частного дома площадью 300 кв.м.
12. Электроотопление
13. Альтернативная энергия
14. Напоследок о печах
> Обсуждение

Индивидуальное отопление частного дома не только позволяет обеспечить себе желаемый комфорт. Оно важно и для общества в целом, и для сохранности окружающей среды. Кроме того, что при «точечном» отоплении исключаются теплопотери в магистралях (а это до 30% и более мощности ТЭЦ) и уменьшается необходимость к крупномасштабном промышленном строительстве, выброс парниковых газов становится рассредоточенным в пространстве и времени и куда легче «переваривается» естественным круговоротом веществ.

Примечание: при обычной весенней грозе в Подмосковье выделяется энергия примерно в 6-20 Мт тротилового эквивалента. А всего 100 кт ее же, выделившиеся мгновенно и в точке, на той же площади произведут катастрофические разрушения.

Полному выявлению преимуществ индивидуальных систем топления (СО) пока мешают 2 обстоятельства: технические новинки, обеспечивающие радикальную экономию топлива, очень дороги и окупаются за 20-40 лет, а профессиональное выполнение СО, помимо дороговизны, сковано стереотипами типового проектирования (невольный каламбур).При механическом переносе их на частные дома, спроектированные вразнобой, обогрев 1 куб. м их объема часто оказывается дороже, чем в квартире панельной многоэтажки, а расход топлива никак не лезет в экологические нормы. Поэтому для многих домовладельцев и застройщиков-частников вопрос, как сделать СО своими руками или хотя бы грамотно разработать ее схему, представляет животрепещущий интерес.

Данная статья – попытка осветить эти проблемы с точки зрения прежде всего минимизации расходов как на постройку СО, так и расходов на отопление в дальнейшем. Глобальная экономика, экология – это, конечно, очень важно. Но идти к ним нужно от благосостояния отдельных граждан, а не приносить жертвы некоему Левиафану.

Особый интерес как объект обогрева представляет собой двухэтажный дом. В массовом строительстве он невыгоден, там рентабельность напрямую зависит от этажности. Частники до недавнего времени вторых/полуторных этажей тоже избегали, сложно казалось и дороговато. Но с ростом цен на участки под застройку и налогов на землю и недвижимость этажи над первым становятся все актуальнее и для мелких домовладельцев.

Вместе с тем именно для полутора-двух этажного дома можно реализовать нетрадиционные схемы отопления, весьма экономные как по первоначальным расходам, так и в эксплуатации. Возможно, у строителя или теплотехника с «типовым» мышлением от взгляда на такой проект глаза выкатятся, но ведь работает! Греет!

Конечная наша цель – разработать автономное отопление с возможностью аварийного подключения альтернативных источников энергии, эксплуатационные расходы на которое не превысят таковых для квартиры в многоэтажке равной площади. Зарапортовались, милейший? Что ж, текст с инфографикой перед вами, читайте, судите сами.

Начальные положения

Взгляните на рис. Нет, это не конечный наш результат. Это схема отопления 2-этажного дома общей площадью 120-150 кв. м, разработанная по евростандарту DIN. Только схема СО, без обвязки котлов. Которая еще страхолюднее, а как в реале выглядит один лишь коллекторный узел, можете посмотреть на след. рис. справа. Сколько денег уйдет на одни лишь трубы-краны-темометры-манометры-крепеж? Не будем о грустном, поговорим лучше о динамике ставок по ипотеке. Черный юмор, простите.

Типовая схема отопления 2-этажного дома

Мы так делать не будем. Как попало – тоже. Мы для упрощения и удешевления СО используем тот факт, что понятие качества жизни нередко доводится до абсурда и превращается в свою противоположность. Применительно к данному случаю, во-первых, откажемся от управления электроникой и автоматического поддержания к комнатах заданной по отдельности температуры с точностью в плюс-минус 0,5 градуса. Человек не орхидея онцидиум Крамера, не виверра-кузиманза и не декоративный пони. Он сформировался отнюдь не в тепличных условиях и колебания температуры в 2-3 градуса в пределах диапазона комфортности ему только на пользу пойдут.

Второе, евростандарты терпеть не могут дышащих стен. Даже строительную древесину пропитывают, а из живой строить в некоторых странах прямо запрещено. Почему – непонятно и нигде вразумительно не обосновано. Может быть, по той же причине, по которой стандартный евроиндивидуум под страхом мучительной смерти не станет есть дикие грибы и ягоды, но с удовольствием медленной струйкой пропускает в глотку виски-бурбон, в котором сивухи побольше, чем в сумской картофельной самогонке и от которого человека, привычного к крымским винам и армянскому коньяку, тут же выворачивает наизнанку.

Коллекторный узел типовой СО

Поконкретнее – в DIN заложена глухая пароизоляция стен, из-за чего приходится задавать промышленную норму циркуляции воздуха в 2 полных обмена в час. В итоге – теплопотери на вентиляцию составляют 60% общих. Мы же будем исходить из отечественной жилой нормы – 1 обмен/час и 40% вентиляционных теплопотерь. А в экстренных случаях (форсированный обогрев в аномальный мороз, перебои с энегоносителями) вспомним и о медицинском минимуме: человеку для дыхания требуется в среднем 7 куб. м воздуха в час.

Т.е., мы отказываемся от негласно сложившегося принципа «дайте нам коробку, а уж батареи в ней мы как-нибудь распихаем» и попробуем разработать комплексный проект СО в увязке с отапливаемым строением. Приоритетной задачей поставим себе всемерное снижение неустранимых теплопотерь, тогда и меры по утеплению дома окажутся куда действеннее и дешевле.

Наконец, положим, что мы не белоручки, а работа на себя не в тягость будет. Типовая СО предполагает сдачу заказчику под ключ, после чего строители, получив от хозяина причитающееся, уходят на другой объект. Нам же грех будет потратить 3-5 дней на настройку готовой системы под здание один раз и навсегда. Индивидуальное отопление, требующее настроечных работ, оказывается проще, дешевле, надежнее и создает больший комфорт, чем типовое, модифицированное под произвольную планировку; нам ведь в таком случае можно будет сузить запасы по расчетным коэффициентам.

О двух котлах

На схеме выше 2 котла, включенных последовательно, каскадом. И одинаковых, т.е. не под основное и аварийное топливо. Зачем?

Дело в том, что отопительные котлы держат паспортный КПД вниз до 10-12% от номинальной мощности, затем от резко падает. Но для форсированного обогрева в сильный мороз мощность котла нужно брать в 2-3 раза больше расчетной по усредненным климатическим показателям. Тогда предел ее регулировки падает до 3-5 крат, а для полного комфорта требуется регулировка в течение отопительного сезона раз в 10-20, смотря по местному климату. Вот и приходится ставить 2 котла номинальной (расчетной) мощности: включенные каскадно, они дадут как раз нужные пределы мощности не в ущерб запасу на форсаж.

Примечание: мы и здесь попробуем сэкономить – основной котел возьмем расчетной мощности с форсажным запасом, а для затяжного межсезонья или аномальных холодов подключим простенький и дешевый на дополнительном или альтернативном энергоносителе. Включать/выключать его придется вручную, но уж потерпим ради экономии.

О чем нужно помнить!

Есть такое фундаментальное научное понятие – энтропия. Оно, грубо говоря, означает всеобщее стремление к беспорядку. Все на свете хочет затеряться, замусориться, запылиться, расползтись, рассыпаться, растечься. Для поддержания порядка приходится тратить некоторую энергию. Что это значит применительно в СО, разберем на примере. Кстати, энтропия и родилась из термодинамики.

Допустим, ударил мороз или потребовалось усиленное проветривание. Котел «поддал жару», а потом, когда необходимость форсажа прошла, притух ниже номинала, пока СО не остынет. Поскольку теплопотери всегда направлены наружу, на форсированный прогрев потребуется больше времени, чем на уменьшенный во время остывания СО. Это явление называется тепловым гистерезисом и обусловлено тепловой инерцией котла и СО. Куда и как девается энергия излишне сожженного топлива – вопрос интересный для физика, но требующий долгого обсуждения, поэтому просто примем к сведению: тепловой инерции СО нужно добиваться как можно меньшей. В частности – не использовать излишне мощные котлы.

Если, к примеру, по широте души русской купить котел мощности в 5-7 раз больше расчетной, то к уменьшению КПД на нижнем пределе мощности заметно прибавятся и теплопотери на гистерезис, котел-то большой, объем его рубашки сравним с объемом труб и радиаторов. А потом приходится читать на форумах: «Они чем-то газ разбавляют! По теплорасчету выходит расход 170 кубов в месяц, а Будерус жрет 380!» Конечно, жрет. А куда ему деваться, если вместо честно заслуженного на фирменных испытаниях КПД в 85% его заставляют работать еле на сорока. Воды-то в рубашке от этого не убавляется.

Чем греться?

Ну что ж, пора и к делу. И первым делом разберемся, какие виды отопления бывают и какое себе выбрать. Т.е., выберем теплоноситель, из него вытекает и все остальное.

Воздух

Естественную циркуляцию теплого воздуха в помещении создают отопительные печи. Мы к ним вернемся ненадолго в конце, но пока отметим как факт: теплоемкость воздуха очень мала, и для полноценного воздушного отопления необходим либо воздухонагреватель большой площади, либо достаточно интенсивный конвективный поток.

Первый случай – теплые полы. Нагретый воздух в комнате с теплым полом мало соприкасается со стенами и окнами, а его температура невысока. Тепловая инерция очень мала, т.к. она прямо зависит от теплоемкости теплоносителя. Поэтому теплопотери оказываются ниже, чем при обогреве радиаторами, в 1,4-1,7 раза. Одно плохо: протолкнуть первичный теплоноситель через замурованную в пол длинную тонкую трубку трудно, поэтому для теплого пола необходим отдельный циркуляционный насос. Если электричество пропадет, он остановится и пол перестанет греть.

Из-за высокой эффективности в сочетании с энергозависимостью теплые полы желательно применять в помещениях, не требующих ровного температурного режима, но интенсивно теряющих тепло: в прихожих, коридорах, холлах. В спальне или детской нежелательно – повышенный комфорт при меньших расходах не окупает риска внезапного выстуживания ночью.

печь-калорифер

Второй случай – полностью воздушная СО от печи-калорифера в подвале через систему воздуховодов. В зданиях не выше 2-х этажей воздушно-конвекционная СО может быть очень экономичной, затем ее КПД стремительно падает. Она широко применялась в древности, но уже в Средние Века вследствие роста этажности зданий вышла из употребления. В настоящее время методика расчета воздушно-конвекционной СО отсутствует, поэтому ее постройка – удел любителей технических экспериментов на себе.

Пар

Отопление перегретым водяным паром под давлением почти начисто лишено тепловой инерции и при прочих равных условиях позволяет уменьшить мощность котла (и расход топлива) на 20-30% Однако использование паровых СО разрешено только в производственных помещениях при непрерывном квалифицированном присмотре и уходе за системой: вероятность аварии существенна, перегретый пар чрезвычайно, даже смертельно, травмоопасен, а паровые радиаторы нагреваются до 120-140 градусов. Сборка паровой СО сложна и трудоемка, т.к. единственно возможный материал для компонентов системы – сталь.

Вода и антифриз

На сегодняшний день оптимальным вариантом для частного жилого дома является водяное отопление: теплоемкость воды больше, чем у большинства прочих жидкостей, что позволяет сделать СО компактнее, но вязкость ее невелика. Это позволяет добиться небольшой тепловой инерции за счет ускорения оборота теплоносителя в системе; как – об этом далее. Для построения водяной СО можно использовать пластики, что облегчает работу и уменьшает дополнительные теплопотери.

Что касается растворов этиленгликоля в воде – антифризов – то их теплотехнические свойства ничуть не хуже. Но антифризы дороги, токсичны, поэтому требуется тщательная и долговечная герметизация системы. Кроме того, ограничивается выбор типа котла и удорожается его обвязка, т.к. использование аварийного сброса перегревшегося теплоносителя в канализацию исключено.

СО на антифризе желательно использовать во временно обитаемых зданиях, скажем, сдаваемых в аренду зимой. Но для них тогда потребуется обеспечить независимое электроснабжение – обвязка котлов на антифризе, как правило, электромеханическая и управляется электроникой. Дороже будет и сама СО: ее арматура должна быть рассчитана и на минусовой температурный диапазон, а конструкция исключать осаждение водного конденсата из наружного воздуха.

Чем топить?

Второй основной вопрос – топливо для котла. Самый экономичный вариант – газовое отопление на природном газе. По соотношению энергоемкости и цены он пока не имеет себе равных. 1 кДж из сжиженного баллонного пропан-бутана обходится примерно втрое дороже, кроме того, 30 кг газа в стандартном 50 л баллоне на сутки хватает только южнее Ростова-на-Дону. Электричество как основной энергоноситель тоже пока не вариант: его энерговыделение, с учетом КПД системы, 0,95 кВт тепла на 1 кВт от сети, а стоит 1 кВт/ч 3 руб.

Примечание: в некоторых случаях применение стационарных отопительных электроприборов все же может быть оправдано, см. далее.

Но чем тогда топить, если дом без газа? Решим эту задачу так: определим потребный общий запас энергии топлива в целом за сезон, по нему и энергоемкости (теплотворной способности) топлива объем его закупки, а там уже по местным ценам решим, под какое топливо нужен котел. Эта же методика применима и к аварийному дополнительному котлу.

Примечание: теплотворная способность древесины сильно зависит от ее влажности. При отсыревании дерева от комнатно-сухого (15% влажности) до хранившегося в открытой поленнице (60% влажности) теплотворная способность падает в 2,5 раза.

Теплотворная способность топлива

Теплотворную способность разных видов топлива см. в таблице справа. Древесное топливо предполагается комнатно-сухим. Точнее с местным видом топлива можно определиться у его поставщика и/или у муниципальных теплотехников. Чтобы привести к ней мощность котла, нужно вспомнить, что 1 Вт = 1Дж/с. Т.е., определим сначала, сколько кВт должен развивать котел в среднем за отопительный сезон:

P = (?p)/? (1),

где ? – паспортный КПД котла;

p – его расчетная мощность (см. далее о расчете СО);

? – сезонный коэффициент использования мощности котла.

Для Москвы ? = 0,5, к Архангельску он пропорционально увеличивается до 0,79, а к Краснодару также пропорционально падает до 0,35.

Теперь умножаем P (в киловаттах) на 3,6 (столько килосекунд в часе) и на 24, количество часов в сутках, получим среднесуточное энергопотребление СО:

e(кДж) = 86,4t(1000с)*P(кВт) (2),

и, умножив его на продолжительность отопительного сезона в сутках, получим полную сезонную энергопотребность на отопление E. Поделив его на теплотворную способность топлива Q, получим закупочный вес топлива в килограммах:

M(кг) = E(кДж)/Q(кДж/кг) (3),

ну, а сколько килограмм в тонне, это уж все знают. Осталось сравнить цены и определиться, что дешевле будет.

Примечание: иногда в справочниках дают теплотворную способность топлива в килокалориях (ккал) на кг. Перевод в джоули прост: 1 Дж = 0,2388 кал, а 1 кал = 4,3 Дж.

Точно так же рассчитывается расход газа, только везде вместо килограммов будут кубометры. Чтобы получить среднемесячный расход газа (это может понадобиться при верстке семейного бюджета), общий расход просто делим на число месяцев в отопительном сезоне.

Примечание: в интернет-справочниках, калькуляторах теплопотерь, торговых декларациях и пр. можно встретить теплотворную способность в кВт/кг или кВт/куб.м. Не верьте этим данным – ватт и его производные это единицы мощности, энерговыделения в единицу времени. Если тут же не указано, за какое время было сожжено топливо, что получились такие цифры, это филькина грамота. Для расчета количества топлива и расходов на него нужно знать полное энерговыделение независимо от времени его использования, т.к. платим мы за энергию, а не за мощность. А как ее определить, если неизвестно, сколько времени эти киловатты выделялись? Если 1 кг топлива полностью сгорел за 1 с, развив мощность в 1 кВт, то энергии в этом килограмме 1 кДж. А если он с той же мощностью горел 1 час, то энергии выделилось 3600 кДж или 3,6 Мдж. По умолчанию предполагается, что имеется в виду (кВт*ч)/кг, тогда выходит тоже единица энергии, с размерностью той же, что у джоуля. Но торговцы, втихаря убрав *ч (опечатка вроде), бессовестно вписывают в графу любую разводную ахинею, и никак не проверишь.

Отопление в доме

Расчет отопления для своего дома мы будем производить в следующем порядке:

• Набросаем эскизный проект дома, исходя из доступных средств и участка под застройку.
• Проведем зонирование дома по степени необходимой комфортности помещений.
• Найдем теплопотери для каждой комнаты в отдельности.
• При необходимости, если разрабатывается СО для новостройки, доработаем эскизный проект.
• Разместим в комнатах отопительные приборы: батареи радиаторов и, возможно, дополнительные стационарные обогреватели.
• Также для каждой комнаты определим суммарную тепловую мощность радиаторов, а по ней – требуемое количество секций.
• Выберем систему построения СО и схему разводки теплоносителя, а по ним – дополнительные поправочные коэффициенты для расчета мощности котла. Здесь же определимся, что будем делать сами, а для чего придется нанимать мастеров.
• Рассчитаем, пользуясь основным (обязательными) и дополнительными коэффициентами, требуемую мощность котла.

После этого останется рассчитать метраж и номенклатуру труб, количество и номенклатуру соединителей, вентилей, устройств автоматики, характер и объем работ, требуемые инструмент и материалы и пр. По данным расчета составляется смета на постройку СО, но это предмет отдельного серьезного разговора. Здесь мы ограничимся расчетом котла, т.к. методика расчета расхода топлива уже приведена выше.

Зоны комфортности

Основа экономного расходования энергии на отопление – тщательное зонирование дома по требуемой/допустимой степени комфортности комнат. Частному домовладельцу, не стесненному типовыми нормами и затратами на оплату специалистов-проектировщиков, можно рекомендовать зонирование здания более детальное, чем принято при массовой застройке под потенциальных покупателей, но сильнее экономящее тепло:

1. Зона полного комфорта – температурный диапазон 22-24 градуса, не более 2-х наружных стен. Сюда относятся детские, санузел (особенно – ванная), комнаты престарелых родителей, тренажерный зал, сауна, бассейн и т.п.
2. Спальная зона – кроме спален, это комнаты общего назначения, где сосредоточена вся личная жизнь их обитателей: гостевые, комнаты прислуги, помещения, сдаваемые в аренду. Температурный диапазон – 21-25 градусов.
3. Жилая зона – гостиная, столовая, кухня, рабочий кабинет для умственного труда, будуар хозяйки и пр. Температурный диапазон – по санитарной норме, 18-27 градусов.
4. Хозяйственная зона – здесь люди активно работают полностью одетыми по сезону. Скорее всего, имеются источники дополнительного обогрева. Сюда относятся кухня, домашняя мастерская, зимний сад и т.п. Верхний предел температуры не нормируется, нижний в отсутствие людей может опускаться до 15-16 градусов.
5. Зона временного пользования, или проходная зона – прихожая, лесничная клетка, гараж и т.п. Т.к. люди здесь появляются мимоходом и в верхней одежде, то нижний температурный предел задается в 12 градусов. Для обогрева целесообразно использовать теплый пол или потолочные инфракрасные (ИК) излучатели, о них см. далее, в разделе об электрообогреве. Радиаторы отопления – аварийные, временно включающиеся для защиты котла от перегрева.
6. Подсобная зона – в помещениях этой зоны источники тепла не устанавливаются, температурный диапазон вообще не нормируется, лишь бы выше нуля было. Обогрев осуществляется за счет теплопередачи из соседних помещений. Здесь также можно ставить аварийные радиаторы СО.

Планировка

Если СО проектируется для уже построенного дома, то ничего не попишешь – зонировать придется то, что есть и теплопотери выйдут какие получатся. Но все равно меньше, чем по стандартным методикам расчета. Если же СО вписывается в дом на этапе предварительного проектирования, то нужно руководствоваться следующими правилами:

• На комнату комфортную должно приходиться не более 2-х наружных стен, т.е. не более 1 наружного угла. Теплопотери через углы максимальны.
• Для котла, пусть и настенного, лучше выделить отдельное помещение, это повысит его среднесезонный КПД. Минимальные требования по противопожарным правилам – объем от 8 куб. м, высота потолка от 2,4 м, обязательно должно быть открывающееся окно площади от 10% площади пола котельной, необходим свободный приток воздуха либо через щель под дверью от 40 мм, либо через решетку с воздушным фильтром в ней (желательно), либо через приточные клапаны с улицы. В котельной обязателен отдельный дымоход, не сообщающийся с общей вентиляцией и другими дымовыми каналами (скажем, с дымоходом камина). Отделка – из негорючих материалов, перегородки со смежными комнатами – не менее чем в кирпич (27 см).
• Комнаты 1-й зоны желательно располагать смежными с котельной (топочной), чтобы полнее использовать бросовое тепло котла. Но дверь в котельную нужно делать либо с улицы, либо из комнат нежилых зон – хозяйственной, проходной, подсобной, кроме гаража.
• Санузел предпочтительно располагать либо тоже смежным с котельной, либо поближе к центру здания.
• Помещения хозяйственной, проходной и подсобной зон следует размещать с углах, у наветренной, северной или северо-восточной стен.
• Комнаты хозяйственной зоны, кроме того, желательно использовать в качестве тепловых буферов между 1-3 и 5-6 зонами.

Примеры стандартного (по типовым, но с умом примененным нормам) и нестандартного планировочных решений показаны на рис. Обозначения: Г – гостиная, С – спальня хозяев, Д – детская, КР – комната родителей хозяев (для бабушки), К – кухня, Каб – рабочий кабинет хозяина, Тл – туалет, Вн – ванная, Гр – гардеробная, П – прихожая, Т – топочная (котельная), Ч – чулан, Х – холл, Ф – фонарь над холлом из поликарбоната на плоской крыше, Гар – гараж.

Планировка домов под минимизацию теплопотерь

Оба дома имеют общую площадь менее 150 кв. м, а под застройку для них достаточно 4-х соток, и еще остается место для газона и садика на задворках. Тем не менее, гостиную в 30-35 квадратов и спальню в 15-20 квадратов может себе позволить далеко не каждый обеспеченный горожанин.

Дом слева – для семьи со сложившимся укладом и традиционным мышлением. Детскую отнесли в угол, а бабушкину комнату к топочной потому, что первенец уродился крепышом, а старушке полезно погреть косточки. Если бабушка, по ее собственным словам, заживется на свете до тех пор, пока не понадобится вторая детская, хозяин согласен уступить ей кабинет.

Дом справа – для молодой самостоятельной семьи. Благодаря довольно большому холлу неправильной формы удалось распихать все-таки (по выражению проектировщика) двери в комнаты и затолкать санузел в центр здания. Крыша встроенного гаража (он не на цоколе и потолок в нем ниже) более чем на 1,5 м ниже крыши дома. К тому времени, когда родители расплатятся по ипотеке и понадобится вторая детская, над гаражом предполагается надстроить полуторный этаж из одной большой комнаты и отдать ее старшей дочери.

Расчет теплопотерь

Теплопотери комнат 1-4 будем рассчитывать как принято, без учета внутреннего теплообмена в здании. 5 и 6 будем считать на все 4 стены, а то и на все 5-6 стен, если речь идет о нестандартной планировке. Для расчета нам понадобятся, кроме знания конструкции стены и толщины составляющих ее слоев в метрах, следующие величины:

1. Тепловое сопротивление материалов Rt или удельные теплопотери материалов qп.
2. Средняя температура января (или самого холодного месяца в вашей местности), ее можно узнать в местной метеослужбе или на сайте Росгидромета, или на сайте местного муниципалитета.
3. Средняя температура за зиму, сведения – там же.
4. Коэффициент сезонного использования мощности котла, уже применявшийся выше.

Примечание: удельные теплопотери иногда даются в ккал/м*час, тогда их нужно переводить в Вт/м^2, пользуясь соотношениями между джоулем и калорией и между джоулем и ваттом.

При типовом проектировании расчет теплопотерь ведут по их удельным значениям и температуре самой холодной недели в году. Результаты получаются достаточно точными для больших многоэтажных зданий (таблицы удельных теплопотерь, вообще говоря, разрабатываются отдельно для зданий сходной конструкции). Малый частный дом по теплу совершенно точно нужно рассчитывать по тепловому сопротивлению материалов. По удельным теплопотерям частнику можно с достаточной точностью считать отток тепла через холодный чердак и входную дверь.

Некоторые данные к расчету приведены на рис. Но, вообще говоря, Rt и qп нужно брать из спецификации на материал. У того же кирпича и пенопласта они существенно различаются не только от производителя к производителю, но и от партии к партии. Если поставщик не показывает паспорт материала или в нем нет Rt или qп, лучше купить где-то еще. Это тот случай, когда скупой платит не дважды, а всю жизнь.

Собственно расчет прост: умножаем табличное значение Rt для данного материала на толщину его слоя в метрах, от результата берем обратную величину, это не что иное как теплопроводность данного слоя, и умножаем ее на площадь рассчитываемой поверхности и на разницу температур (температурный градиент) по обе ее стороны; если на пути тепла несколько слоев разных материалов (напр. штукатурка-кирпич-утеплитель), то Rt каждого слоя складываются. В результате получим поток теплопотерь из комнаты в ваттах Qп. Если расчет ведется по удельным теплопотерям qп, их табличное значение умножаем на разность температур и площадь поверхности, но просчитать многослойку по qп уже сложнее, их для этого нужно привести к Rt.

Расчет ведется отдельно для стен, пола, потолка, окон и дверей. За максимум температурного градиента ?T берем минимум допустимой температуры помещения, а за его минимум:

• Для стен и окон – среднюю температуру января, поделенную на коэффициент сезонного использования мощности котла ?.
• Для потолка – среднесуточную температуру самой холодной недели зимы, как в расчете по удельным теплопотерям.
• Для пола – среднезимнюю температуру данной местности.

С точки зрения типового проектирования этот метод – совершенная ересь. Но мы учтем обстоятельство, которое в многоэтажках не действует, а именно: тяга котла в малом частном доме обеспечивает вентминимум воздухообмена с большим избытком. Затем, как сами себе хозяева в своем доме, воздух в котельную пустим 2 путями: через щель под дверью из кухни или решетку с фильтром над полом в туалете/ванной, и с улицы через клапаны в наружной стене.

В средние холода клапаны котельной закрыты. Вдруг ударит аномальный мороз, их открываем, подток воздуха к котлу из дома ограничиваем или вовсе перекрываем. «Дышальный» минимум в 7 куб.м/час на человека обеспечиваем по-дедовски: форточками или, посовременнее, вентклапанами в комнатах. Еврокачества жизни тут никакого, но ведь прикрыть/открыть клапаны не сложнее и не труднее, чем поджарить яичницу. Которую Европа тоже кушает. А при таком построении СО расходы на отопление частного дома меньшие, чем абонплата за тепло в городской квартире – реальность. Наконец, если у хозяина голова и руки на месте, то кто мешает снабдить клапаны температурной автоматикой? Тогда и с качеством жизни все в порядке будет.

Ставим батареи

Какие?

В продаже есть радиаторы отопление 4-х типов:

1. Стальные тонкостенные – самые дешевые.
2. Алюминиевые.
3. Биметаллические сталь-алюминий – самые дорогие.
4. Чугунные, только не старые «гармошки», а профилированные.

Первые более подойдут для регионов с мягкой зимой и непродолжительным отопительным сезоном. При интенсивной топке они могут коррозировать, и при ней же в системе возможны гидроудары, которых тонкая сталь не выдерживает.

Алюминиевые батареи хорошо отдают тепло и обеспечивают малую тепловую инерцию системы; теплопроводность алюминия очень высока, а теплоемкость мала. Но непрочны, в регионах с резкими сменами погоды могут потечь от гидроударов. Кроме того, плоховато сопрягаются с металлическими трубопроводами, коэффициент температурного расширения (ТКР) алюминия велик. Лучше всего использовать их в регионах севернее черноземной полосы, где зима стабильно холодная, тогда недостатки алюминия не сказываются.

В биметаллических радиаторах алюминиевые секции нанизаны на тонкий прочный сердечник из спецстали. Технических недостатков у биметалла нет, применять биметаллические батареи можно где угодно без ограничений, но они очень дороги.

Чугун вечен, гидроудары вообще игнорирует, по дешевизне – второй после стали. однако тяжел, для монтажа радиаторов нужен помощник. А самое главное – обладает очень большой для металла теплоемкостью. Тепловая инерция СО и теполопотери в ней на гистерезис будут велики.

Примечание: все выше и нижеописанные хитрости экономии тепла в системе с «чугунками» недействительны. Ее нужно считать по-типовому.

Расчет радиаторов

Расчет батарей в комнаты прост: найденную ранее величину теплопотерь делим на тепловую мощность одной секции, умножаем на коэффициент запаса 1,2 и округляем до ближайшего наибольшего целого, мы получили количество секций на комнату. Но обратите внимание: не сказано «на паспортную мощность секции».

Дело в том, что паспортная мощность дается для температуры подачи 90 градусов и обратки 70 градусов. В многоэтажках это оптимум. Но наша СО не такая большая и мы можем уменьшить соотношение температур подачи/обратки до 80/60 градусов. Меньше нельзя, если обратка остынет ниже 50 градусов, то или сработает байпас котла (см. далее) и деньги за тепло полетят в трубу, или, еще хуже, в котле может выпасть кислотный конденсат, способный быстро и полностью вывести его из строя. Чего мы этим добьемся? Меньших теплопотерь от батарей прямо в стены. Существенно меньших, т.к. теплоотдача нагретого тела пропорциональна 4 степени его температуры.

Значит, нам нужно для правильного расчета батарей пересчитать их мощность на меньший температурный диапазон. Паспортное соотношение температур 90/70 = 1,2857, а наше 80/60 = 1,3333. Поправочный коэффициент для батарей будет (1,2857/1,3333)^4 = 0,865. На него и умножаем паспортную мощность секции для расчета.

Где ставить?

Размещение батарей – тоже дело тонкое и смекалки требующее. Взгляните на поз. А рис., там – типовое, в нишах под окнами. Правильно, кстати, тепловая завеса перед окном намного уменьшает потери через него. Расчетные значения: спальня – 4 секции, гостиная – 8, детская – 6.

Варианты размещения батарей отопления

Теперь поднимемся на 1 уровень смекалки, поз. Б. В гостиной так и осталось 8 секций, 2 по 4. И теплозавеса не пострадала: ее создают стакивающиеся потоки от 2-х батарей. Но их тылы греют уже не наружную стену, а перегородку, так что в детской хватает 4-х секций. 2 – сэкономлены, и не только по закупке, но и по мощности котла, см. далее.

Батареи у боковых стен неэстетичны? А мы вместо обычного подоконника положим фигурный, как говорится – креативный, показан зеленым пунктиром. На нем можно развести растения, устроить рабочий уголок и т.п. На поз. В – вариант, интересный для, например, ЮФАО и Предкавказья. Батарей в гостиной вовсе нет (3 зона комфортности), а на стены повешены ИК-излучатели в виде картин (о них далее), настроенные на 18 градусов. Сэкономлено еще 8 секций, а расход электричества на ИК-подогрев вдвое меньше экономии на газе.

Примечание: тут сказывается и тот факт, что человек излучает в среднем 60 Вт тепла. Батареи его не чувствуют, а датчики ИК-картин вполне.

Экранирование батареи отопления

Об экранировании батарей

В большинстве случаев батареи все же придется ставить в подоконных нишах. Тогда потери от них прямо в стену можно уменьшить в разы, применив воздушно-тепловое экранирование, см. рис справа. Аэрокозырек и тепловоздушный инжектор выгибаются из жести или тонкой оцинковки, а на ИК-отражатель пойдет кусок фольгированной с двух сторон волокнистой теплоизоляции.

Выбираем систему

Здесь нужно знать, что тепловая инерция СО тем меньше, чем быстрее в ней циркулирует вода. А скорость ее циркуляции, в свою очередь, зависит от давления в системе. Насколько позволяет прочность труб и батарей (с учетом возможности гидроудара), давление следует увеличивать.

Открытая или закрытая?

Открытые, или атмосферные, СО (слева на рис. ниже) до недавнего времени строились повсеместно, они просты и требуют минимума материалов. Сейчас строить новые СО открытого типа в большинстве стран запрещено по следующим основным причинам, кроме которых есть и много других:

1. Для создания давления в 1 ати (атмосферу избыточную), что примерно равно 1 бар, нужен подъем расширительного бака на 10,5 м.
2. Расширитель требуется большого объема, что увеличивает инерцию СО и риск гидроудара.
3. При любом утеплении расширителя его теплопотери недопустимо велики.
4. Открытая СО требует регулярного ухода и обезвоздушивания.

Закрытые СО сложнее и затратнее в постройке, но отвечают современным требованиям и могут неограниченное время работать без присмотра. Общая схема закрытой СО показана справа на рис:

Открытая и закрытая СО

Ее часть правее сечений, обозначенных А-А, вполне доступна для самостоятельного изготовления. То, что левее – собственно, уже обвязка котла. Это отдельная тема, во-первых. Во-вторых, сколько линеек котлов в продаже, столько к ним и обвязок, подробно описанных в фирменных спецификациях. Поэтому укажем только, для ориентировки, назначение ее частей:

• Т1 – байпас (обход, шунт) котла. Если температура обратки падает до 50 градусов, термоклапан 10 срабатывает от датчика 12 и перепускает часть воды из подачи в обратку. Вентилем 5 байпас перекрывают, если отопление переключается на аварийно-резервный электрокотел ВИН (см. ниже и далее) 14.
• Т2 – байпас циркуляционного насоса (попросту – помпы) 6. Срабатывает от термометра подачи 3 (такой же термометр желателен на обратке) в случае перегрева подачи при неисправности насоса или пропадании электричества. СО при этом переходит в слабо греющий и неэкономичный, но энергонезависимый термосифонный режим.
• 2 – системный манометр.
• 4 – аккумулирующий сосуд (тепловой демпфер), необходим для предотвращения гидроударов. Чаше всего совмещается с бойлером ГВС, т.к. СО с ним связана не непосредственно, а змеевиком-теплообменником. Если предусмотрена работа СО от альтернативного источника энергии (АИ) 13, то в демпфер встраивают второй змеевик, если АИ – солнечный коллектор (СК), или низковольтный ТЭН, если АИ – солнечная батарея (СБ).
• 7 – радиаторы отопления.
• 15 – вентиль воздушного дренажа, устанавливается в наивысшей точке системы.
• 8 – раздаточный и сборный коллекторы, нужны для предотвращения гидроударов из-за перепада давления воды по высоте этажа. Количество раздающих/собирающих патрубков – по числу этажей. Размещаются примерно посредине высоты здания. В одноэтажном доме не нужны.
• 9 – мембранный расширительный сосуд с аварийно-технологическим выпуском воды в канализацию. Служит для компенсации теплового расширения теплоносителя.
• 11 – подпитка СО от водопровода. В простейшем случае – поплавковый кран и фильтр-отстойник. Если вода плохая, ставят дополнительные приборы ее подготовки. Система подготовки воды для ГВС условно не показана, т.к. к СО не относится.
• 14 – аварийно-резервный вихревой индукционный нагреватель ВИН. Работает от домовой электросети или от АИ-СБ через инвертор DC/AC 220В 50/60 Гц.

Как раздать тепло?

Схемы раздачи теплоносителя по отопительным приборам бывают, во-первых, тупиковыми и оборотными. В первых поток воды замыкается только через батареи, теплые полы, полотенцесушители и т.п. Во вторых существует частичный непосредственный переток воды из подачи в обратку. Оборотные схемы обладают наименьшей тепловой инерцией, минимума труб и допускают эксплуатацию котла без байпаса, т.к. чрезмерно остывающая обратка сама оттягивает к себе горячую подачу от батарей, но хорошо работают только при очень длинных ветвях (лучах) подачи/обратки, поэтому применяются в основном в больших производственных помещениях: цехах, складах.

О лениградке

В данном случае ленинградка не разновидность карточной игры преферанса, а т.наз. лениградская схема раздачи тепла, см. рис.

Схема СО “Лениградка”

Ленинградка предельно проста, требует рекордно малого количества труб, а ветви разводки в частных домах нередко сравнимы по длине с промышленными. Поэтому лениградка в последнее время активно обсуждается в рунете. Подробнее о ней можно посмотреть ролик ниже.

Видео: система отопления “Ленинградка”

Мы далее будем рассматривать только тупиковые схемы, эффективность которых доказана практикой. Они, как и оборотные, могут выполняться:

• Однотрубными – батареи включаются последовательно, цельная труба идет только на обратку.
• Двухтрубными – батареи включаются параллельно между трубами подачи и обратки.
• Комбинированными – последовательные секции (опуски) включаются как отдельные батареи в двухтрубной схеме.

Одна труба

Однотрубная система (см. рис.) требует наименьшего количества материалов для постройки.

Однотрубная СО

Однако распространена мало из-за следующих недостатков:

• Помпа Р и байпас котла Т обязательны даже в открытой СО.
• Демпфер-аккумулятор А нужен большой, от 150 л, емкости, что увеличивает тепловую инерцию СО.
• Регулировка батарей взаимозависима: если их более 3-х на луче и все разные, то с настройкой СО можно провозиться полсезона. Причем нужны дорогие трехходовые перепускные вентили.
• Батареи сами по себе греются неравномерно, из-за этого склонны к самозавоздушиванию (растворимость газов в воде растет при понижении температуры), поэтому на каждый радиатор нужен отдельный воздушный дренаж.
• Помпа нужна вдвое большей обычного мощности, от 40-50 Вт на каждые 10 кВт мощности котла.

Две трубы

Двухтрубная схема (см. рис.) требует больше труб, но меньше арматуры, так что выходит по материалам ненамного дороже однотрубной, только работы на нее нужно больше.

Двухтрубная СО

Емкость демпфера – от 50 л. Некоторые типы газовых котлов при работе в двухтрубной схеме с длиной луча до 12-15 м допускают эксплуатацию без байпаса. Регулировка радиаторов практически независима, воздушник нужен только один. Самая распространенная схема.

Комби

Комбинированная схема, см. рис., «теплушникам»-типовикам почти совсем неизвестна, т.к. для одноэтажных домов не годится, а при этажности более 2-х собирает в себе недостатки одно- и двухтрубной.

Комбинированная СО

Но как раз в 2-этажном доме, хотя циркулятор с байпасом здесь нужны обязательно, у нее оказываются преимущества и той, и другой:

• Демпфер – от 50 л, как у 2-х трубной.
• Если верхнюю распределительную магистраль М сделать из трубы диаметром от 60 мм и провести под потолком (можно спрятать под карнизом или гипсокартонным фальшпотолком), то демпфер вообще не нужен.
• Если при планировке здания свести в опуски отопительные приборы примерно одинаковой мощности, то весь опуск можно регулировать одним простым шаровым вентилем, т.к. теплопотери второго этажа через потолок больше, чем первого через пол.

Недостаток у системы «комби-двуэтажная» всего один: нет нормативной методики расчета. Чтобы правильно ее сделать разработать, нужен большой опыт и профессиональное чутье.

Разводка

Схем разводки трубопроводов к приборам есть 2: контурная (слева на рис.) и радиально-лучевая, там же справа. Явных преимуществ друг перед другом у них нет. Лучевка требует несколько меньшего метража труб, если котельная в центре дома, но это еще как выйдет смотря по планировке. Вообще, если проектировать по-совести или для себя, а не ради денег побольше, то нужно остановиться на контурной: вдруг что с трубами, пол ломать придется у стены, а не посреди комнаты.

Схемы разводки трубопроводов СО

О трубах

Лучшие трубы для СО – пропиленовые. Долговечность проверена 30-ти летним опытом, не требуют дополнительной теплоизоляции при замуровывании и в штробах. К гидроударам не только безразличны, но и гасят их, т.к. пластик мало упруг и очень вязок, а прочность пропилена на разрыв получше, чем у иных сталей. По ТКР отлично сопрягаются с любыми металлами, т.е. алюминиевые батареи на пропиленовых трубах можно применять где угодно. Не чрезмерно дороги, а сборка проста: нужно только уметь обращаться с паяльником для пропилена, чему можно обучиться самостоятельно за полчаса. Сопротивление току воды очень мало, что при том же давлении в СО даст циркуляцию быстрее и тепловую инерцию меньше.

Сталь тоже не так уж плоха: вечна и дешева. Но работать с ней сложно: нужна сварка, мощный трубогиб и т.п. Медь вечна, работать с ней можно на колене: труборез, трубогиб, оправка для развальцовки концов и шабровка (ример) нужны мелкие ручные. Соединяется пайкой, что тоже несложно. Однако медь очень дорога, требует утепления труб даже при проводке сквозь стены и перекрытия, а гидроудар держит хуже алюминия. В общем, для богатых и амбициозных: а у меня медь, не что-то там! Почему не золото или серебро? Они крепче и дороже.

Анекдот из 90-х: Встречаются два новых русских: «О, братан, у тебя новый галстук! – Да, вот только что 300 баксов отдал! – Слышь, ну ты и лоханулся! Вон за углом бутик, там точно такие же по 500 продают».

Металлопластик вообще исключаем. Утверждения, что его можно монтировать одним разводным ключом – либо вранье, либо невежество. Нужен специнструмент, тот же, что и для меди. Затем, максимально допустимая температура покрытия из ПВХ – 80 градусов. А самое главное – фитинги (соединительная спецарматура) текут, хоть ты тресни, и пока еще ни один производитель с ними не справился. В СО это чревато не столько протечкой, сколько завоздушиванием на полном ходу, что грозит уже настоящей бедой.

Об уклонах

Любой СО когда-то да придется работать на термосифоне, без помпы. Чтобы при этом и котел не перегрелся, и в комнатах достаточно тепло было, монтаж подачи с обраткой нужно вести с уклонами в 5 мм/м, см. рис. справа. «Профи»-халтурщики часто этим пренебрегают, надеясь на термоградиентный напор в трубах, но для себя, конечно, лучше постараться и сделать надежно.

Уклоны труб в СО

Расчет котла

Теперь можно взяться и за котел. При описанном подходе к проектированию СО вопросами недостаточности/избыточности его тепловой мощности сравнительно с таковой радиаторов (а это вопросы тонкие и сложные), не задаемся. Форсированный обогрев, если нужно, будет обеспечен запасом температуры подачи (мы ведь ее понизили), а более-менее нормальная работа на термосифоне – аккумулятором и уклоном труб. Тогда мощность котла рассчитывается несложно:

• Складываем мощности всех отопительных приборов, питаемых водой от котла.
• Умножаем на 1,4, это мы учли 40% теплопотерь на вентиляцию.
• Результат делим на сезонный коэффициент использования мощности.
• Второй результат делим на КПД предварительно выбранного котла.
• Выбираем из облюбованной линейки котлов ближайший большей мощности.
• Если его КПД ниже предварительно заданного, повторяем расчет; возможно, придется взять котел помощнее или другого производителя.

Например, для описанных выше домов, при надлежащем утеплении, совокупные теплопотери составят около 8 кВт без вентиляции. Мощность всех радиаторов и прочих отопителей вышла 9,5 кВт. Тогда: (9,5*1,4)/(0,5*0,85) = 31,3 кВт. Выбираем котел на 30 кВт, а к нему – ВИН на 3 кВт. По типовому расчету выходила мощность 40 кВт в виде 2-х 20-кВт котлов, которые стоили вдвое дороже одного 30-кВт с ВИНом.

Видео: пример отопления частного дома площадью 300 кв.м.

Внимание: редакция не несет отвественности за содержание и качество ролика!

Электроотопление

Здесь речь пойдет не об электрокотлах, электричество дорого и ставить их можно, только если топлива вообще нет. Речь пойдет о дополнительных водогрейных и отопительных приборах. Электрическое отопление с их помощью в мезсезонье может оказаться дешевле, чем твердым или жидким топливом.

ВИН

ВИН, о котором сказано выше, по устройству своему – электрический трансформатор с короткозамнутой вторичной обмоткой, она же и магнитопровод. В изделии – отрезок стальной трубы, на который наложена первичная обмотка из толстой медной шины, см. рис. Вихревые токи (токи Фуко из школьной физики) наводятся во вторичке, частично и в воде, и греют ее. ВИНы вечны и отличаются редкостной «дубовостью»: не боятся даже удара молнии и кошмара всех электриков – отгорания нуля на подстанции.

Устройство вихревого индукционного нагревателя (ВИН)

Но главное их достоинство – нулевая тепловая инерция. Площадь контакта вторички с водой в тысячи раз больше, чем у ТЭНа, а ее объем в трубе в сотни раз меньше, чем в баке бойлера. За счет этого, если в межсезонье, когда топливный котел еще дышит на малом КПД, его погасить и включить ВИН, то расходы на электрообогрев окажутся меньше затрат на уголь и сравнимы с газовыми.

Обусловлено это тем, что ВИН безразличен к температуре обратки. Нет пламени в топке, нет и отработанных газов, кислотным парам просто неоткуда взяться. Можно снизить температуру подачи хоть до 40 градусов, практически полностью исключив наведенные теплопотери (они, как помним, пропорциональны 4 степени температуры батарей). Топливный котел в таком случае будет зря жечь топливо на перегонку воды по байпасу.

ИК-картины

Об ИК-обогревателях также уже сказано. Они бывают 2-х видов: пленочные (слева на рис.) и светодиодные (ИК-картины), там же в центре и справа. Первые относительно дешевы, это те же электрокамины, только низкотемпературные. Малоэкономичны, пригодны для временного местного обогрева, скажем, на даче. В санузлах и др. помещениях с повышенной влажностью опасны.

Инфракрасные нагреватели – картины

ИК-картины – другое дело. Они, в сущности, цифровые фоторамки, т.е. изображение можно менять, записывать в память свое. Но в ИК-картинах каждый пиксель содержит кроме цветовых (R, G и B) излучателей еще инфракрасный. КПД ИК-светодиодов высок, но главное – высока и направленность излучения; назад и в стороны они почти не греют. Нужная температура в комнате задается с пульта. Поэтому ИК-картины можно использовать для экономичного обогрева комнат 4-6 зон или даже 2-3 в теплых районах. Плохо одно: дороги эти приборы, и очень.

Примечание: выпускаются ИК-излучатели и без картинки, потолочные для обогрева гаражей и подсобок. Они дешевле, но ненамного.

Альтернативная энергия

В РФ и вообще выше субтропиков по географической широте солнечное альтернативное отопление как основное в обозримом будущем малоперспективно: инсоляция зимой в ясный день не превышает 300 Вт/кв. м. С учетом КПД преобразователей энергии нужна площадь панелей в десятки и сотни кв. м, что в частных домах нереально. К примеру, самых дешевый из предлагаемых энергонезависимый дом, на 26 квадратов жилых (общая комната и крохотная спальня + маленькая кухонька и совмещенный санузел, как в ЖД вагоне), стоит более $500.000.

Ветросиловые установки (ВСУ) тоже стоят подороже хорошего дома и требуют большой площади для установки, а земля все дорожает. К тому же ветра в России в основном не сильные. Некоторый интерес представляют солнечные коллекторы, т.к. их можно делать самому. Но горячую воду самоделки дают только летом. Фирменные модели, греющие воду зимой до 70 градусов, буквально напичканы чудесами высоких технологий и стоят очень дорого.

Устройство солнечных коллекторов и батарей

Устройство солнечного коллектора показано на рис. в центре. Корпус панели из газонепроницаемого материала тщательно герметизируется и не менее тщательно со всех сторон, кроме лицевой, утепляется. Внутри зачерняется вместе со змеевиком специальной краской, хорошо поглощающей тепловое излучение и закрывается 2-5 слойным стеклопакетом на герметике. Стекло тоже специальное, теплоотражающее. Затем панель заполняется аргоном или углекислым газом под давлением, чем больше, тем лучше. Известны фирменные модели с давлением внутри более 10 бар. В такой конструкции возникает сильный парниковый эффект; КПЛ коллекторов доходит до 78%

Солнечные батареи – слой кремния высокой чистоты на токопроводящей подложке, на который напылены в вакууме токосъемные дорожки, справа на рис. Электричество генерируется благодаря фотоэффекту в полупроводнике – кремнии. Самые дешевые батареи из поликристаллического кремния, но их КПД всего единицы процентов, они годятся для питания радиоприемника в походе да подзарядки пальчиковых аккумуляторов.

Как АИ для отопления используются батареи из монокристаллического кремния (монокремниевые), их КПД до 30% и более. Они неуклонно дешевеют, а при установке на крыше (слева на рис.) способны в Подмосковье развить мощность до 3-5 кВт зимой в пасмурный день, чего достаточно для питания ВИНа через инвертор. В общем, дело перспективное, отслеживать нужно. Тем более, что для подключения ВИНа переделывать СО не нужно.

Напоследок о печах

Печное отопление, безусловно, создает в доме здоровый микроклимат, т.к. кирпичная печь дышит и поддерживает оптимальную влажность воздуха при колебаниях температуры. Можно заставить дышать и металлические печи, облицевав их стеатитовыми матами или просто минеральным картоном. А постройка печи обойдется не дороже, чем хорошей водяной СО.

Тем не менее, будущее у печей с каминами только эксклюзивно-декоративное. По современному состоянию экологии КПД общий КПД СО нужен от 70%, что для печей редкость. А со временем экологические требования будут только ужесточаться. В целом, проектировать дом с печным отоплением целесообразно только там, где налицо частые перебои электроснабжения или его отсутствие. При этом условии печка окажется экономичнее современной СО, для нормальной работы которой необходимо электричество.

Содержание

1. Основные понятия
2. Какой нужен генератор?
3. Выбор по ветру
4. О безопасности
5. Ветер, аэродинамика, КИЭВ
6. Чего ожидать от классики?
7. Вертикалки
8. ВСУ Бирюкова
9. Лопастники
10. Мини и микро
11. Парусники
12. Самодельный генератор
13. Вывод
14. Видео: технология производства ветрогенераторов
> Обсуждение

Россия в отношении ветроэнергетических ресурсов занимает двоякое положение. С одной стороны, благодаря огромной общей площади и обилию равнинных местностей ветра в целом много, и он большей частью ровный. С другой – наши ветры преимущественно низкопотенциальные, медленные, см. рис. С третьей, в мало обжитых местностях ветры буйные. Исходя из этого, задача завести на хозяйстве ветрогенератор вполне актуальна. Но, чтобы решить – покупать достаточно дорогое устройство, или сделать его своими руками, нужно как следует подумать, какой тип (а их очень много) для какой цели выбрать.

Ветроэнергетические ресурсы России

Основные понятия

1. КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра. В случае применения для расчета механистической модели плоского ветра (см. далее) он равен КПД ротора ветросиловой установки (ВСУ).
2. КПД – сквозной КПД ВСУ, от набегающего ветра до клемм электрогенератора, или до количества накачанной в бак воды.
3. Минимальная рабочая скорость ветра (МРС) – скорость его, при которой ветряк начинает давать ток в нагрузку.
4. Максимально допустимая скорость ветра (МДС) – его скорость, при которой выработка энергии прекращается: автоматика или отключает генератор, или ставит ротор во флюгер, или складывает его и прячет, или ротор сам останавливается, или ВСУ просто разрушается.
5. Стартовая скорость ветра (ССВ) – при такой его скорости ротор способен провернуться без нагрузки, раскрутиться и войти в рабочий режим, после чего можно включать генератор.
6. Отрицательная стартовая скорость (ОСС) – это значит, что ВСУ (или ВЭУ – ветроэнергетическая установка, или ВЭА, ветроэнергетический агрегат) для запуска при любой скорости ветра требует обязательной раскрутки от постороннего источника энергии.
7. Стартовый (начальный) момент – способность ротора, принудительно заторможенного в потоке воздуха, создавать вращающий момент на валу.
8. Ветродвигатель (ВД) – часть ВСУ от ротора до вала генератора или насоса, или другого потребителя энергии.
9. Роторный ветрогенератор – ВСУ, в которой энергия ветра преобразуется во вращательный момент на валу отбора мощности посредством вращения ротора в потоке воздуха.
10. Диапазон рабочих скоростей ротора – разность между МДС и МРС при работе на номинальную нагрузку.
11. Тихоходный ветряк – в нем линейная скорость частей ротора в потоке существенно не превосходит скорость ветра или ниже ее. Динамический напор потока непосредственно преобразуется в тягу лопасти.
12. Быстроходный ветряк – линейная скорость лопастей существенно (до 20 и более раз) выше скорости ветра, и ротор образует свою собственную циркуляцию воздуха. Цикл преобразования энергии потока в тягу сложный.

Примечания:

1. Тихоходные ВСУ, как правило, имеют КИЭВ ниже, чем быстроходные, но имеют стартовый момент, достаточный для раскрутки генератора без отключения нагрузки и нулевую ССВ, т.е. абсолютно самозапускающиеся и применимы при самых слабых ветрах.
2. Тихоходность и быстроходность – понятия относительные. Бытовой ветряк на 300 об/мин может быть тихоходным, а мощные ВСУ типа EuroWind, из которых набирают поля ветроэлектростанций, ВЭС (см. рис.) и роторы которых делают порядка 10 об/мин – быстроходные, т.к. при таком их диаметре линейная скорость лопастей и их аэродинамика на большей части размаха – вполне «самолетные», см. далее.

Какой нужен генератор?

Электрический генератор для ветряка бытового назначения должен вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне скоростей вращения и обладать способностью самозапуска без автоматики и внешних источников питания. В случае использования ВСУ с ОСС (ветряки с раскруткой), обладающих, как правило, высокими КИЭВ и КПД, он должен быть и обратимым, т.е. уметь работать и как двигатель. При мощностях до 5 кВт этому условию удовлетворяют электрические машины с постоянными магнитами на основе ниобия (супермагнитами); на стальных или ферритовых магнитах можно рассчитывать не более чем на 0,5-0,7 кВт.

Примечание: асинхронные генераторы переменного тока или коллекторные с ненамагниченным статором не годятся совершенно. При уменьшении силы ветра они «погаснут» задолго до того, как его скорость упадет до МРС, и потом сами не запустятся.

Отличное «сердце» ВСУ мощностью от 0,3 до 1-2 кВт получается из автогенератора переменного тока со встроенным выпрямителем; таких сейчас большинство. Во-первых, они держат выходное напряжение 11,6-14,7 В в довольно широком диапазоне скоростей без внешних электронных стабилизаторов. Во-вторых, кремниевые вентили открываются, когда напряжение на обмотке достигнет примерно 1,4 В, а до этого генератор «не видит» нагрузки. Для этого генератор нужно уже довольно прилично раскрутить.

В большинстве случаев автогенератор можно непосредственно, без зубчатой или ременной передачи, соединить с валом быстроходного ВД, подобрав обороты выбором количества лопастей, см. ниже. «Быстроходки» имеют малый или нулевой стартовый момент, но ротор и без отключения нагрузки успеет достаточно раскрутиться, прежде чем вентили откроются и генератор даст ток.

Выбор по ветру

Прежде чем решать, какой сделать ветрогенератор, определимся с местной аэрологией. В серо-зеленоватых (безветренных) областях ветровой карты хоть какой-то толк будет лишь от парусного ветродвигателя (и них далее поговорим). Если необходимо постоянное энергоснабжение, то придется добавить бустер (выпрямитель со стабилизатором напряжения), зарядное устройство, мощную аккумуляторную батарею, инвертор 12/24/36/48 В постоянки в 220/380 В 50 Гц переменного тока. Обойдется такое хозяйство никак не менее $20.000, и снять долговременную мощность более 3-4 кВт вряд ли получится. В общем, при непреклонном стремлении к альтернативной энергетике лучше поискать другой ее источник.

В желто-зеленых, слабоветренных местах, при потребности в электричестве до 2-3 кВт самому можно взяться за тихоходный вертикальный ветрогенератор. Их разработано несть числа, и есть конструкции, по КИЭВ и КПД почти не уступающие «лопастникам» промышленного изготовления.

Если же ВЭУ для дома предполагается купить, то лучше ориентироваться на ветряк с парусным ротором. Споров и них много, и в теории пока еще не все ясно, но работают. В РФ «парусники» выпускают в Таганроге на мощность 1-100 кВт.

В красных, ветреных, регионах выбор зависит от потребной мощности. В диапазоне 0,5-1,5 кВт оправданы самодельные «вертикалки»; 1,5-5 кВт – покупные «парусники». «Вертикалка» тоже может быть покупной, но обойдется дороже ВСУ горизонтальной схемы. И, наконец, если требуется ветряк мощностью 5 кВт и более, то выбирать нужно между горизонтальными покупными «лопастниками» или «парусниками».

Примечание: многие производители, особенно второго эшелона, предлагают комплекты деталей, из которых можно собрать ветрогенератор мощностью до 10 кВт самостоятельно. Обойдется такой набор на 20-50% дешевле готового с установкой. Но прежде покупки нужно внимательно изучить аэрологию предполагаемого места установки, а затем по спецификациям подобрать подходящие тип и модель.

О безопасности

Детали ветродвигателя бытового назначения в работе могут иметь линейную скорость, превосходящую 120 и даже 150 м/с, а кусочек любого твердого материала весом в 20 г, летящий со скоростью 100 м/с, при «удачном» попадании убивает здорового мужика наповал. Стальная, или из жесткого пластика, пластина толщиной 2 мм, движущаяся со скоростью 20 м/с, рассекает его же напополам.

Кроме того, большинство ветряков мощностью более 100 Вт довольно сильно шумят. Многие порождают колебания давления воздуха сверхнизкой (менее 16 Гц) частоты – инфразвуки. Инфразвуки неслышимы, но губительны для здоровья, а распространяются очень далеко.

Примечание: в конце 80-х в США был скандал – пришлось закрыть крупнейшую на тот момент в стране ВЭС. Индейцы из резервации в 200 км от поля ее ВСУ доказали в суде, что резко участившиеся у них после ввода ВЭС в эксплуатацию расстройства здоровья обусловлены ее инфразвуками.

В силу указанных выше причин установка ВСУ допускается на расстоянии не менее 5 их высот от ближайших жилых строений. Во дворах частных домовладений можно устанавливать ветряки промышленного изготовления, соответствующим образом сертифицированные. На крышах ставить ВСУ вообще нельзя – при их работе, даже у маломощных, возникают знакопеременные механические нагрузки, способные вызвать резонанс строительной конструкции и ее разрушение.

Примечание: высотой ВСУ считается наивысшая точка ометаемого диска (для лопастных роторов) или геомерической фигуры (для вертикальных ВСУ с ротором на древке). Если мачта ВСУ или ось ротора выступают вверх еще выше, высота считается по их топу – верхушке.

Ветер, аэродинамика, КИЭВ

Самодельный ветрогенератор подчиняется тем же законам природы, что и заводской, рассчитанный на компьютере. И самодельщику основы его работы нужно понимать очень хорошо – в его распоряжении чаще всего нет дорогих суперсовременных материалов и технологического оборудования. Аэродинамика же ВСУ ох как непроста…

Ветер и КИЭВ

Для расчета серийных заводских ВСУ используется т. наз. плоская механистическая модель ветра. В ее основе следующие предположения:

• Скорость и направление ветра постоянны в пределах эффективной поверхности ротора.
• Воздух – сплошная среда.
• Эффективная поверхность ротора равна ометаемой площади.
• Энергия воздушного потока – чисто кинетическая.

При таких условиях максимальную энергию единицы объема воздуха вычисляют по школьной формуле, полагая плотность воздуха при нормальных условиях 1,29 кг*куб. м. При скорости ветра 10 м/с один куб воздуха несет в себе 65 Дж, и с одного квадрата эффективной поверхности ротора можно, при 100% КПД всей ВСУ, снять 650 Вт. Это весьма упрощенный подход – все знают, что ветер идеально ровным не бывает. Но на это приходится идти, чтобы обеспечить повторяемость изделий – обычное в технике дело.

Плоскую модель игнорировать не следует, она дает четкий минимум доступной энергии ветра. Но воздух, во-первых, сжимаем, во-вторых, очень текуч (динамическая вязкость всего 17,2 мкПа*с). Это значит, поток может обтекать ометаемую площадь, уменьшая эффективную поверхность и КИЭВ, что чаще всего и наблюдается. Но в принципе возможна и обратная ситуация: ветер стекается к ротору и площадь эффективной поверхности тогда окажется больше ометаемой, а КИЭВ – больше 1 относительно его же для плоского ветра.

Приведем два примера. Первый – прогулочная, довольно тяжеловесная, яхта может идти не только против ветра, но и быстрее его. Ветер имеется в виду внешний; вымпельный ветер все равно должен быть быстрее, иначе как он судно потянет?

Второй – классика авиационной истории. На испытаниях МИГ-19 оказалось, что перехватчик, который был на тонну тяжелее фронтового истребителя, по скорости разгоняется быстрее. С теми же движками в том же планере.

Теоретики не знали, что и думать, и всерьез засомневались в законе сохранения энергии. В конце концов оказалось – дело в выступающем из воздухозаборника конусе обтекателя РЛС. От его носка к обечайке возникало уплотнение воздуха, как бы сгребавшее его со сторон к компрессорам двигателей. С тех пор ударные волны прочно вошли в теорию как полезные, и фантастические летные данные современных самолетов в немалой степени обусловлены их умелым использованием.

Аэродинамика

Развитие аэродинамики принято делить на две эпохи – до Н. Г. Жуковского и после. Его доклад «О присоединенных вихрях» от 15 ноября 1905 г. стал началом новой эры в авиации.

До Жуковского летали на поставленных плашмя парусах: полагалось, что частицы набегающего потока отдают весь свой импульс передней кромке крыла. Это позволяло сразу избавиться от векторной величины – момента количества движения – порождавшей зубодробительную и чаще всего неаналитическую математику, перейти к куда более удобным скалярным чисто энергетическим соотношениям, и получить в итоге расчетное поле давления на несущую плоскость, более-менее похожее на настоящее.

Такой механистический подход позволил создать аппараты, способные худо-бедно подняться в воздух и совершить перелет из одного места в другое, не обязательно грохнувшись на землю где-то по пути. Но стремление увеличить скорость, грузоподъемность и другие летные качества все больше выявляло несовершенство первоначальной аэродинамической теории.

Идея Жуковского была такова: вдоль верхней и нижней поверхностей крыла воздух проходит разный путь. Из условия непрерывности среды (пузыри вакуума сами по себе в воздухе не образуются) следует, что скорости верхнего и нижнего потоков, сходящих с задней кромки, должны отличаться. Вследствие пусть малой, но конечной вязкости воздуха там из-за разности скоростей должен образоваться вихрь.

Вихрь вращается, а закон сохранения количества движения, столь же непреложный, как и закон сохранения энергии, справедлив и для векторных величин, т.е. должен учитывать и направление движения. Поэтому тут же, на задней кромке, должен сформироваться противоположно вращающийся вихрь с таким же вращательным моментом. За счет чего? За счет энергии, вырабатываемой двигателем.

Для практики авиации это означало революцию: выбрав соответствующий профиль крыла, можно было присоединенный вихрь пустить вокруг крыла в виде циркуляции Г, увеличивающей его подъемную силу. Т.е., затратив часть, а для больших скоростей и нагрузок на крыло – большую часть, мощности мотора, можно создать вокруг аппарата воздушный поток, позволяющий добиться лучших летных качеств.

Это делало авиацию авиацией, а не частью воздухоплавания: теперь летательный аппарат мог сам создавать себе нужную для полета среду и не быть более игрушкой воздушных потоков. Нужен только двигатель помощнее, и еще и еще мощнее…

Снова КИЭВ

Но у ветряка мотора нет. Он, наоборот, должен отбирать энергию у ветра и давать ее потребителям. И здесь выходит – ноги вытащил, хвост увяз. Пустили слишком мало энергии ветра на собственную циркуляцию ротора – она будет слабой, тяга лопастей – малой, а КИЭВ и мощность – низкими. Отдадим на циркуляцию много – ротор при слабом ветре будет на холостом ходу крутиться как бешеный, но потребителям опять достается мало: чуть дали нагрузку, ротор затормозился, ветер сдул циркуляцию, и ротор стал.

Закон сохранения энергии «золотую середину» дает как раз посерединке: 50% энергии даем в нагрузку, а на остальные 50% подкручиваем поток до оптимума. Практика подтверждает предположения: если КПД хорошего тянущего пропеллера составляет 75-80%, то КИЭВ так же тщательно рассчитанного и продутого в аэродинамической трубе лопастного ротора доходит до 38-40%, т.е. до половины от того, чего можно добиться при избытке энергии.

Современность

Ныне аэродинамика, вооруженная современной математикой и компьютерами, все более уходит от неизбежно что-то да упрощающих моделей к точному описанию поведения реального тела в реальном потоке. И тут, кроме генеральной линии – мощность, мощность, и еще раз мощность! – обнаруживаются пути побочные, но многообещающие как раз при ограниченном количестве поступающей в систему энергии.

Известный авиатор-альтернативщик Пол Маккриди еще в 80-х создал самолет, с двумя моторчиками от бензопилы мощностью в 16 л.с. показавший 360 км/ч. Причем шасси его было трехопорным неубирающимся, а колеса – без обтекателей. Ни один из аппаратов Маккриди не вышел на линию и не встал на боевое дежурство, но два – один с поршневыми моторами и пропеллерами, а другой реактивный – впервые в истории облетели вокруг земного шара без посадки на одной заправке.

Парусная яхта на подводных крыльях

Парусов, породивших изначальное крыло, развитие теории тоже коснулось весьма существенно. «Живая» аэродинамика позволила яхтам при ветре в 8 узл. встать на подводные крылья (см. рис.); чтобы разогнать такую громадину до нужной скорости гребным винтом, требуется двигатель не менее 100 л.с. Гоночные катамараны при таком же ветре ходят со скоростью около 30 узл. (55 км/ч).

Есть и находки совершенно нетривиальные. Любители самого редкого и экстемального спорта – бейсджампинга – надев апециальный костюм-крыло, вингсьют, летают без мотора, маневрируя, на скорости более 200 км/ч (рис. справа), а затем плавно приземляются в заранее выбранном месте. В какой сказке люди летают сами по себе?

Бейсджампер в видгсьюте

Разрешились и многие загадки природы; в частности – полет жука. По классической аэродинамике, он летать не способен. Точно так же, как и родоначальник «стелсов» F-117 с его крылом ромбовидного профиля тоже не способен подняться в воздух. А МИГ-29 и Су-27, которые некоторое время могут лететь хвостом вперед, и вовсе ни в какие представления не укладываются.

И почему тогда, занимаясь ветродвигателями, не забавой и не орудием уничтожения себе подобных, а источником жизненно важного ресурса, нужно плясать непременно от теории слабых потоков с ее моделью плоского ветра? Неужели не найдется возможности продвинуться дальше?

Чего ожидать от классики?

Однако от классики отказываться ни в коем случае не следует. Она дает основу, не оперевшись на которую нельзя подняться выше. Точно так же, как теория множеств не отменяет таблицу умножения, а от квантовой хромодинамики яблоки с деревьев вверх не улетят.

Итак, на что можно рассчитывать при классическом подходе? Посмотрим на рисунок. Слева – типы роторов; они изображены условно. 1 – вертикальный карусельный, 2 – вертикальный ортогональный (ветряная турбина); 2-5 – лопастные роторы с разным количеством лопастей с оптимизированными профилями.

Сравнение эффективности ВСУ разных типов

Справа по горизонтальной оси отложена относительная скорость ротора, т.е., отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра. По вертикальной вверх – КИЭВ. А вниз – опять же относительный крутящий момент. Единичным (100%) крутящим моментом считается такой, который создает насильно заторможенный в потоке ротор со 100% КИЭВ, т.е. когда вся энергия потока преобразуется во вращающее усилие.

Такой подход позволяет делать далеко идущие выводы. Скажем, количество лопастей нужно выбирать не только и не столько по желательной скорости вращения: 3- и 4-лопастники сразу много теряют по КИЭВ и вращательному моменту по сравнению с хорошо работающими примерно в том же диапазоне скорстей 2- и 6-лопастниками. А внешне похожие карусель и ортогонал обладают принципиально разными свойствами.

В целом же предпочтение следует отдавать лопастным роторам, кроме случаев, когда требуются предельная дешевизна, простота, необслуживаемый самозапуск без автоматики и невозможен подъем на мачту.

Примечание: о парусных роторах поговорим особо – они, похоже, в классику не укладываются.

Вертикалки

ВСУ с вертикальной осью вращения имеют неоспоримое для быта преимущество: их узлы, требующие обслуживания, сосредоточены внизу и не нужен подъем наверх. Там остается, и то не всегда, упорно-опорный самоустанавливающийся подшипник, но он прочен и долговечен. Поэтому, проектируя простой ветрогенератор, отбор вариантов нужно начинать с вертикалок. Основные их типы представлены на рис.

Вертикальные ветрогенераторы

ВС

На первой позиции – самый простейший, чаще всего называемый ротором Савониуса. На самом деле его изобрели в 1924 г. в СССР Я. А. и А. А. Воронины, а финский промышленник Сигурд Савониус бессовестно присвоил себе изобретение, проигнорировав советское авторское свидетельство, и начал серийный выпуск. Но внедрение в судьбе изобретения значит очень много, поэтому мы, чтобы не ворошить прошлое и не тревожить прах усопших, назовем этот ветряк ротором Ворониных-Савониуса, или для краткости, ВС.

ВС для самодельщика всем хорош, кроме «паровозного» КИЭВ в 10-18%. Однако в СССР над ним работали много, и наработки есть. Ниже мы рассмотрим усовершенствованную конструкцию, не намного более сложную, но по КИЭВ дающую фору лопастникам.

Примечание: двухлопастный ВС не крутится, а дергается рывками; 4-лопастный лишь немного плавнее, но много теряет в КИЭВ. Для улучшения 4-«корытные» чаще всего разносят на два этажа – пара лопастей внизу, а другая пара, повернутая на 90 градусов по горизонтали, над ними. КИЭВ сохраняется, и боковые нагрузки на механику слабеют, но изгибные несколько возрастают, и при ветре более 25 м/с у такой ВСУ на древке, т.е. без растянутого вантами подшипника над ротором, «срывает башню».

Дарье

Следующий – ротор Дарье; КИЭВ – до 20%. Он еще проще: лопасти – из простой упругой ленты безо всякого профиля. Теория ротора Дарье еще недостаточно разработана. Ясно только, что начинает он раскручиваться за счет разности аэродинамического сопротивления горба и кармана ленты, а затем становится вроде как быстроходным, образуя собственную циркуляцию.

Вращательный момент мал, а в стартовых положениях ротора параллельно и перпендикулярно ветру вообще отсутствует, поэтому самораскрутка возможна только при нечетном количестве лопастей (крыльев?) В любом случае на время раскрутки нагрузку от генератора нужно отключать.

Есть у ротора Дарье еще два нехороших качества. Во-первых, при вращении вектор тяги лопасти описывает полный оборот относительно ее аэродинамического фокуса, и не плавно, а рывками. Поэтому ротор Дарье быстро разбивает свою механику даже при ровном ветре.

Во-вторых, Дарье не то что шумит, а вопит и визжит, вплоть до того, что лента рвется. Происходит это вследствие ее вибрации. И чем больше лопастей, тем сильнее рев. Так что Дарье если и делают, то двухлопастными, из дорогих высокопрочных звукопоглощающих материалов (карбона, майлара), а для раскрутки посередине мачты-древка приспосабливают небольшой ВС.

Ортогонал

На поз. 3 – ортогональный вертикальный ротор с профилированными лопастями. Ортогональный потому, что крылья торчат вертикально. Переход от ВС к ортогоналу иллюстрирует рис. слева.

Карусельный и ортогональный роторы

Угол установки лопастей относительно касательной к окружности, касающейся аэродинамических фокусов крыльев, может быть как положительным (на рис.), так и отрицательным, сообразно силе ветра. Иногда лопасти делают поворотными и ставят на них флюгерки, автоматически держащие «альфу», но такие конструкции часто ломаются.

Центральное тело (голубое на рис.) позволяет довести КИЭВ почти до 50% В трехлопастном ортогонале оно должно в разрезе иметь форму треугольника со слегка выпуклыми сторонами и скругленными углами, а при большем количестве лопастей достаточно простого цилиндра. Но теория для ортогонала оптимальное количество лопастей дает однозначно: их должно быть ровно 3.

Ортогонал относится к быстроходным ветрякам с ОСС, т.е. обязательно требует раскрутки при вводе в эксплуатацию и после штиля. По ортогональной схеме выпускаются серийные необслуживаемые ВСУ мощностью до 20 кВт.

Геликоид

Геликоидный ротор, или ротор Горлова (поз. 4) – разновидность ортогонала, обеспечивающая равномерное вращение; ортогонал с прямыми крыльями «рвет» лишь немного слабее двухлопастного ВС. Изгиб лопастей по геликоиде позволяет избежать потерь КИЭВ из-за их кривизны. Хотя часть потока кривая лопасть и отбрасывает, не используя, но зато и загребает часть в зону наибольшей линейной скорости, компенсируя потери. Геликоиды используют реже прочих ветряков, т.к. они вследствие сложности изготовления оказываются дороже равных по качеству собратьев.

Бочка-загребушка

На 5 поз. – ротор типа ВС, окруженный направляющим аппаратом; его схема представлена на рис. справа. В промышленном исполнении встречается редко, т.к. дорогостоящий отвод земли не компенсирует прироста мощности, а материалоемкость и сложность производства велики. Но самодельщик, боящийся работы – уже не мастер, а потребитель, и, если нужно не более 0,5-1,5 кВт, то для него «бочка-загребушка» лакомый кусок:

Вертикальный ротор с направляющим аппаратом

• Ротор такого типа абсолютно безопасен, бесшумен, не создает вибраций и может быть установлен где угодно, хоть на детской площадке.
• Согнуть «корыта» из оцинковки и сварить каркас из труб – работа ерундовая.
• Вращение – абсолютно равномерное, детали механики можно взять самые дешевые или из хлама.
• Не боится ураганов – слишком сильный ветер не может протолкнуться в «бочку»; вокруг нее возникает обтекаемый вихревой кокон (мы с этим эффектом еще столкнемся).
• А самое главное – поскольку поверхность «загребушки» в несколько раз больше таковой ротора внутри, КИЭВ может быть и сверхединичным, а вращательным момент уже при 3 м/с у «бочки» трехметрового диаметра такой, что генератору на 1 кВт с предельной нагрузкой, как говорится, лучше и не дергаться.

Видео: ветрогенератор Ленца

ВСУ Бирюкова

В 60-х в СССР Е. С. Бирюков запатентовал карусельную ВСУ с КИЭВ 46%. Немного позже В. Блинов добился от конструкции на том же принципе КИЭВ 58%, но данных о ее испытаниях нет. А натурные испытания ВСУ Бирюкова были проведены сотрудниками журнала «Изобретатель и рационализатор». Двухэтажный ротор диаметром 0,75 м и высотой 2 м при свежем ветре раскручивал на полную мощность асинхронный генератор 1,2 кВт и выдерживал без поломки 30 м/с. Чертежи ВСУ Бирюкова приведены на рис.

Позиции:

1. ротор из кровельной оцинковки;
2. самоустанавливающийся двухрядный шариковый подшипник;
3. ванты – 5 мм стальной трос;
4. ось-древко – стальная труба с толщиной стенок 1,5-2,5 мм;
5. рычаги аэродинамического регулятора оборотов;
6. лопасти регулятора оборотов – 3-4 мм фанера или листовой пластик;
7. тяги регулятора оборотов;
8. груз регулятора оборотов, его вес определяет частоту вращения;
9. ведущий шкив – велосипедное колесо без шины с камерой;
10. подпятник – упорно-опорный подшипник;
11. ведомый шкив – штатный шкив генератора;
12. генератор.

Бирюков на свою ВСУ получил сразу несколько авторских свидетельств. Во-первых, обратите внимание на разрез ротора. При разгоне он работает подобно ВС, создавая большой стартовый момент. По мере раскрутки во внешних карманах лопастей создается вихревая подушка. С точки зрения ветра, лопасти становятся профилированными, и ротор превращается в быстроходный ортогонал, причем виртуальный профиль меняется соответственно силе ветра.

Во-вторых, профилированный канал между лопастями в рабочем диапазоне скоростей работает как центральное тело. Если же ветер усиливается, то в нем также создается вихревая подушка, выходящая за пределы ротора. Возникает такой же вихревой кокон, как вокруг ВСУ с направляющим аппаратом. Энергия на его создание берется от ветра, и тому на поломку ветряка ее уже не хватает.

В-третьих, регулятор оборотов предназначен прежде всего для турбины. Он держит ее обороты оптимальными с точки зрения КИЭВ. А оптимум частоты вращения генератора обеспечивается выбором передаточного отношения механики.

Примечание: после публикаций в ИР за 1965 г. ВСУ Бирюкова канула в небытие. Ответа от инстанций автор так и не дождался. Судьба многих советских изобретений. Говорят, какой-то японец стал миллиардером, регулярно читая советские популярно-технические журналы и патентуя у себя все, заслуживающее внимания.

Лопастники

Как у сказано, по классике горизонтальный ветрогенератор с лопастным ротором – наилучший. Но, во-первых, ему нужен стабильный хотя бы средней силы ветер. Во-вторых, конструкция для самодельщика таит в себе немало подводных камней, из-за чего нередко плод долгих упорных трудов в лучшем случае освещает туалет, прихожую или крыльцо, а то и оказывается способен только раскрутить самого себя.

По схемам на рис. рассмотрим подробнее; позиции:

• Фиг. А:

1. лопасти ротора;
2. генератор;
3. станина генератора;
4. защитный флюгер (ураганная лопата);
5. токосъемник;
6. шасси;
7. поворотный узел;
8. рабочий флюгер;
9. мачта;
10. хомут под ванты.

• Фиг. Б, вид сверху:

1. защитный флюгер;
2. рабочий флюгер;
3. регулятор натяжения пружины защитного флюгера.

• Фиг. Г, токосъемник:

1. коллектор с медными неразрезными кольцевыми шинами;
2. подпружиненные меднографитовые щетки.

Примечание: ураганная защита для горизонтального лопастника диаметром более 1 м совершенно необходима, т.к. создать вокруг себя вихревой кокон он не способен. При меньших размерах можно добиться выносливости ротора до 30 м/с с лопастями из пропилена.

Итак, где нас ждут «спотыки»?

Лопасти

Профилировка и крутка лопасти ВСУ

Рассчитывать добиться мощности на валу генератора более 150-200 Вт на лопастях любого размаха, вырезанных из толстостенной пластиковой трубы, как часто советуют – надежды беспросветного дилетанта. Лопасть из трубы (если только она не настолько толстая, что используется просто как заготовка) будет иметь сегментный профиль, т.е. его верхняя, или обе поверхности будут дугами окружности.

Сегментные профили пригодны для несжимаемой среды, скажем, для подводных крыльев или лопастей гребного винта. Для газов же нужна лопасть переменного профиля и шага, для примера см. рис.; размах – 2 м. Это будет сложное и трудоемкое изделие, требующее кропотливого расчета во всеоружии теории, продувок в трубе и натурных испытаний.

Генератор

При насадке ротора прямо на его вал штатный подшипник скоро разобьется – одинаковой нагрузки на все лопасти в ветряках не бывает. Нужен промежуточный вал со специальным опорным подшипником и механическая передача от него на генератор. Для больших ветряков опорный подшипник берут самоустанавливающийся двухрядный; в лучших моделях – трехъярусный, Фиг. Д на рис. выше. Такой позволяет валу ротора не только слегка изгибаться, но и немного смещаться из стороны в сторону или вверх-вниз.

Примечание: на разработку опорного подшипника для ВСУ типа EuroWind ушло около 30 лет.

Аварийный флюгер

Принцип его работы показывает Фиг. В. Ветер, усиливаясь, давит на лопату, пружина растягивается, ротор перекашивается, обороты его падают и в конце концов он становится параллельно потоку. Вроде бы все хорошо, но – гладко было на бумаге…

Попробуйте в ветреный день удержать за ручку параллельно ветру крышку от выварки или большой кастрюли. Только осторожно – вертлявая железяка может садануть по физиономbии так, что расквасит нос, рассечет губу, а то и выбьет глаз.

Плоский ветер бывает только в теоретических выкладках и, с достаточной для практики точностью, в аэродинамических трубах. Реально же ураган ветряки с ураганной лопатой корежит больше, чем вовсе беззащитные. Лучше все-таки менять исковерканные лопасти, чем делать заново все. В промышленных установках – другое дело. Там шаг лопастей, по каждой в отдельности, отслеживает и регулирует автоматика под управлением бортового компьютера. И делаются они из сверхпрочных композитов, а не из водопроводных труб.

Токосъемник

Это – регулярно обслуживаемый узел. Любой энергетик знает, что коллектор со щетками нужно чистить, смазывать, регулировать. А мачта – из водопроводной трубы. Не залезешь, раз в месяц-два придется весь ветряк валить на землю и потом опять поднимать. Сколько он протянет от такой «профилактики»?

Видео: лопастной ветрогенератор + солнечная панель для электроснабжения дачи

Мини и микро

Но с уменьшением размеров лопастника трудности падают по квадрату диаметра колеса. Изготовление горизонтальной лопастной ВСУ своими силами на мощность до 100 Вт уже возможно. Оптимальным будет 6-лопастный. При большем количестве лопастей диаметр ротора, рассчитанного на ту же мощность, будет меньше, но их окажется трудно прочно закрепить на ступице. Роторы о менее чем 6 лопастях можно не иметь в виду: 2-лопастнику на 100 Вт нужен ротор диаметром 6,34 м, а 4-лопастнику той же мощности – 4,5 м. Для 6-лопастного зависимость мощность – диаметр выражается следующим образом:

• 10 Вт – 1,16 м.
• 20 Вт – 1,64 м.
• 30 Вт – 2 м.
• 40 Вт – 2,32 м.
• 50 Вт – 2,6 м.
• 60 Вт – 2,84 м.
• 70 Вт – 3,08 м.
• 80 Вт – 3,28 м.
• 90 Вт – 3,48 м.
• 100 Вт – 3,68 м.
• 300 Вт – 6,34 м.

Оптимальным будет рассчитывать на мощность 10-20 Вт. Во-первых, лопасть из пластика размахом более 0,8 м без дополнительных мер защиты не выдержит ветер более 20 м/с. Во-вторых, при размахе лопасти до тех же 0,8 м линейная скорость ее концов не превысит скорость ветра более чем втрое, и требования к профилировке с круткой снижаются на порядки; здесь уже вполне удовлетворительно будет работать «корытце» с сегментным профилем из трубы, поз. Б на рис. А 10-20 Вт обеспечат питание планшетки, подзарядку смартфона или засветят лампочку-экономку.

Мини- и микроветрогенераторы

Далее, выбираем генератор. Отлично подойдет китайский моторчик – ступица колеса для электровелосипедов, поз. 1 на рис. Его мощность как мотора – 200-300 Вт, но в режиме генератора он даст примерно до 100 Вт. Но подойдет ли он нам по оборотам?

Показатель быстроходности z для 6 лопастей равен 3. Формула для расчета скорости вращения под нагрузкой – N = v/l*z*60, где N – частота вращения, 1/мин, v – скорость ветра, а l – длина окружности ротора. При размахе лопасти 0,8 м и ветре 5 м/с получаем 72 об/мин; при 20 м/с – 288 об/мин. Примерно с такой же скоростью вращается и велосипедное колесо, так что свои 10-20 Вт от генератора, способного дать 100, мы уж снимем. Можно ротор сажать прямо на его вал.

Но тут возникает следующая проблема: мы, потратив немало труда и денег, хотя бы на моторчик, получили… игрушку! Что такое 10-20, ну, 50 Вт? А лопастный ветряк, способный запитать хотя бы телевизор, дома не сделаешь. Нельзя ли купить готовый мини-ветрогенератор, и не обойдется ли он дешевле? Еще как можно, и еще как дешевле, см. поз. 4 и 5. Кроме того, он будет еще и мобильным. Поставил на пенек – и пользуйся.

Второй вариант – если где-то валяется шаговый двигатель от старого 5- или 8-дюймового дисковода, или от привода бумаги или каретки негодного струйного или матричного принтера. Он может работать как генератор, и приделать к нему карусельный ротор из консервных банок (поз. 6) проще, чем собирать конструкцию наподобие показанной на поз. 3.

В целом по «лопастникам» вывод однозначен: самодельные – скорее для того, чтобы помастерить всласть, но не для реальной долговременной энергоотдачи.

Видео: простейший ветрогенератор для освещения дачи

Парусники

Парусные ветрогенераторы

Парусный ветрогенератор известен давно, но мягкие полотнища его лопастей (см. рис.) начали делать с появлением высокопрочных износостойких синтетических тканей и пленок. Многолопастные ветряки с жесткими парусами широко разошлись по миру как привод маломощных автоматических водокачек, но их техданные ниже даже чем у каруселей.

Однако мягкий парус как крыло ветряка, похоже, оказался не так-то прост. Дело не в ветроустойчивости (производители не ограничивают максимально допустимую скорость ветра): яхсменам-парусникам и так известно, что ветру разорвать полотнище бермудского паруса практически невозможно. Скорее шкот вырвет, или мачту сломает, или вся посудина сделает «поворот оверкиль». Дело в энергетике.

К сожалению, точных данных испытаний не удается найти. По отзывам пользователей удалось составить «синтетические» зависимости для установки ВЭУ-4.380/220.50 таганрогского производства с диаметром ветроколеса 5 м, массой ветроголовки 160 кг и частотой вращения до 40 1/мин; они представлены на рис.

Характеристики ВЭУ-4.380/220.50

Разумеется, ручательств за 100% достоверность быть не может, но и так видно, что плоско-механистической моделью тут и не пахнет. Никак не может 5-метровое колесо на плоском ветре в 3 м/с дать около 1 кВт, при 7 м/с выйти на плато по мощности и далее держать ее до жестокого шторма. Производители, кстати, заявляют, что номинальные 4 кВт можно получить и при 3 м/с, но при установке их силами по результатам исследований местной аэрологии.

Количественной теории также не обнаруживается; пояснения разработчиков маловразумительны. Однако, поскольку таганрогские ВЭУ народ покупает, и они работают, остается предположить, что заявленные коническая циркуляция и пропульсивный эффект – не фикция. Во всяком случае, возможны.

Тогда, выходит, ПЕРЕД ротором, по закону сохранения импульса, должен возникнуть тоже конический вихрь, но расширяющийся и медленный. И такая воронка будет сгонять ветер к ротору, его эффективная поверхность получится больше ометаемой, а КИЭВ – сверхединичным.

Пролить свет на этот вопрос могли бы натурные измерения поля давления перед ротором, хотя бы бытовым анероидом. Если оно окажется выше, чем с боков в стороне, то, действительно, парусные ВСУ работают, как жук летает.

Самодельный генератор

Из сказанного выше ясно, что самодельщикам лучше браться или за вертикалки, или за парусники. Но те и другие очень медленные, а передача на быстроходный генератор – лишняя работа, лишние затраты и потери. Можно ли сделать эффективный тихоходный электрогенератор самому?

Да, можно, на магнитах из ниобиевого сплава, т. наз. супермагнитах. Процесс изготовления основных деталей показан на рис. Катушки – каждая из 55 витков медного 1 мм провода в термостойкой высокопрочной эмалевой изоляции, ПЭММ, ПЭТВ и т.п. Высота обмоток – 9 мм.

Детали самодельного генератора на супермагнитах

Обратите внимание на пазы под шпонки в половинах ротора. Они должны быть расположены так, чтобы магниты (они приклеиваются к магнитопроводу эпоксидкой или акрилом) после сборки сошлись разноименными полюсами. «Блины» (магнитопроводы) должны быть изготовлены из магнитомягкого ферромагнетика; подойдет обычная конструкционная сталь. Толщина «блинов» – не менее 6 мм.

Вообще-то лучше купить магниты с осевым отверстием и притянуть их винтами; супермагниты притягиваются со страшной силой. По этой же причине на вал между «блинами» надевается цилиндрическая проставка высотой 12 мм.

Обмотки, составляющие секции статора, соединяются по схемам, также приведенным на рис. Спаянные концы не должны быть натянуты, но должны образовывать петли, иначе эпоксидка, которой будет залит статор, застывая, может порвать провода.

Заливают статор в изложнице до толщины 10 мм. Центрировать и балансировать не нужно, статор не вращается. Зазор между ротором и статором – по 1 мм с каждой стороны. Статор в корпусе генератора нужно надежно зафиксировать не только от смещения по оси, но и от проворачивания; сильное магнитное поле при токе в нагрузке будет тянуть его за собой.

Видео: генератор для ветряка своими руками

Вывод

И что же мы имеем напоследок? Интерес к «лопастникам» объясняется скорее их эффектным внешним видом, чем действительными эксплуатационными качествами в самодельном исполнении и на малых мощностях. Самодельная карусельная ВСУ даст «дежурную» мощность для зарядки автоаккумулятора или энергоснабжения небольшого дома.

А вот с парусными ВСУ стоит поэкспериментировать мастерам с творческой жилкой, особенно в мини-исполнении, с колесом 1-2 м диаметром. Если предположения разработчиков верны, то с такого можно будет снять, посредством описанного выше китайского движка-генератора, все его 200-300 Вт.

Сделать же каркас (рангоут) для парусного ротора несложно. Кроме того, парусные ВСУ безопасны, а звуков от них, инфра- и слышимых, не обнаруживается. И высоко понимать ротор не нужно, достаточно одного диаметра колеса.

Видео: технология производства ветрогенераторов