Ставим солнечные батареи на крышу дома: тонкости выбора и монтажа

О солнечной энергетике и выгодах, которые она несет, слышал, наверное, каждый. Возобновляемые источники электроэнергии активно обсуждают как минимум последние 10 лет, а после принятия в декабре 2019 года закона о зеленом тарифе эта тема в России и вовсе стала трендовой. И доходной. Во всяком случае, для компаний, которые ставят солнечные батареи на крышу дома. А вот с пользой для владельца домашней солнечной электростанции (СЭС) все не так очевидно.

Обычно компании, продающие солнечные батареи, завлекают клиентов автономностью, экологичностью, экономией на электроэнергии и даже заработком на ее продаже государству. Нельзя сказать, что при этом они обманывают. Но и всей правды, как принято в рекламе, не говорят.

Есть случаи, когда установка солнечных батарей на крыше — действительно отличная инвестиция в будущее. Во всех смыслах: от сохранения природы до заработка. Но и ситуации, когда в монтаже домашней солнечной электростанции нет ни малейшего смысла, тоже не редкость. Весь фокус в том, чтобы научиться отличать первую ситуацию от второй. А для этого нужно разбираться в принципах работы солнечных панелей, их видах и тех факторах, которые влияют на производительность батарей.

Содержание

Кратко об основах: что такое солнечные панели, и как они работают

Солнечные батареи — это модули, которые состоят из нескольких десятков фотоэлектрических элементов, соединенных последовательно или параллельно. Как только на фотоэлектрический элемент попадает свет, он начинает вырабатывать электричество, причем чем интенсивнее освещение, тем больше электроэнергии можно получить. В средней полосе России летом качественные солнечные панели для дома могут вырабатывать около 150 Вт/м2 в пике и примерно 120 Вт/м2 в обычных условиях.

Принцип работы солнечных батарей

Свет — это поток фотонов, элементарных частиц с небольшой энергией. Когда свет попадает на солнечный элемент, материал, из которого он состоит, поглощает небольшое количество фотонов. Из-за этого высвобождаются электроны, и между контактными слоями возникает электрический ток. И хотя энергия каждого фотона невелика, их много, поэтому солнечные панели на крыше частного дома способны выдавать тысячи киловатт, а мощность крупных солнечных электростанций исчисляется мегаваттами.

Солнечный элемент состоит из семи основных слоев:

• антибликовое стекло;
• лицевой контакт;
• кремний n-типа;
• разделительный слой;
• кремний p-типа;
• задний контакт;
• подложка.

Верхний антибликовый слой защищает фотоэлектрические элементы от повреждения и попадания влаги, одновременно увеличивая светопоглощающую способность панелей. Именно из-за стекла многие солнечные батареи характерного синего цвета. Два вида кремния нужны для появления разницы потенциалов при выбивании электронов фотонами. Эту разницу потенциалов снимают с двух контактов — лицевого и заднего — в виде постоянного тока напряжением около 0,5 В. Подложка — основа для монтажа солнечных элементов, которая так же, как и стекло, защищает панель от попадания внутрь нее влаги.

Из-за такой простой конструкции у солнечных панелей большой срок службы — 35-40 лет. Причем деградация качественных батарей во многом связана не с разрушением кристаллов кремния, а с потемнением подкладочной EVA пленки, которую укладывают между фотоэлементами и стеклом.

Виды солнечных панелей

Подавляющее большинство солнечных панелей делают из кремния (Si), но есть перспективные батареи из теллурида кадмия (Cd-Te) и деселенида галлия-меди-индия (CIS или CIGS). Потенциально они значительно снизят стоимость домашней солнечной электростанции, но это только в перспективе. Пока некремниевые фотоэлементы производят всего несколько компаний в мире, и цена за один ватт мощности у них выше, поэтому такие солнечные батареи для дома в России почти не используют.

Независимо от материала, солнечные панели бывают трех видов:

1. Монокристаллические. Эти солнечные панели сделаны из одного кристалла чистого кремния. У них наибольший КПД — до 22% — при ярком солнце, а деградация структуры происходит медленнее, чем у батарей другого типа — производители дают не менее 25 лет гарантии на монокристаллические элементы.
2. Поликристаллические. Как видно из названия, эти панели сделаны не из одного, а из множества разнонаправленных кристаллов кремния. Это сказывается и на КПД — обычно он не превышает 18%, и на сроке службы — поликристаллические панели быстрее стареют. Тем не менее в России чаще всего устанавливают именно поликристаллические солнечные батареи на крышу частного дома, поскольку они существенно дешевле монокристаллических.
3. Тонкопленочные или аморфные. Этот вид солнечных панелей самый дешевый, поскольку для их производства нужно наименьшее количество кремния. КПД у тонкопленочных солнечных панелей последнего поколения составляет всего 8-12%, зато они лучше кристаллических элементов работают в условиях рассеянного света — в пасмурную погоду или в условиях затенения от близлежащего дерева аморфные солнечные панели выдают на 10-15% больше электроэнергии, чем монокристаллические модули.

Кроме «чистых» панелей, работа которых основана на одном типе материала, в последние несколько лет появились гибридные гетероструктурные (HJT или HIT) солнечные батареи. В них используется одновременно и кристаллический, и аморфный кремний, что повышает КПД панелей и улучает их работу в условиях рассеянного света и повышенных температур.

Как выбрать солнечные батареи

Большинство людей выбирает солнечные панели на крышу дома примерно по тому же принципу, что и кофеварку или пылесос. То есть ориентируются в основном на цену, рекламу и отзывы в интернете. Вот только такой подход в корне неверен: никто не ждет от пылесоса, что он прослужит не менее 25 лет, да еще и все это время работая на улице под палящими лучами солнца. При таком большом сроке службы отзывы людей, которые поставили солнечные батареи на крышу своего дома максимум год-два назад, просто не несут никакой ценности. Не говоря уже о том, что это немассовый товар, из-за чего отзывы реальных людей буквально тонут в массе заказных.

Поэтому, выбирая комплект солнечных батарей, советуем учитывать такие характеристики:

1. Производитель. Это ключевой фактор. Производитель солнечной батареи должен входить в рейтинг крупнейших и, желательно, чтобы у него был полный цикл производства: от кремния до самих батарей. Да, за брендовые панели придется переплатить, но сравнительно немного — 10-15%, тогда как при покупке noname панелей есть риск потерять всю сумму. При этом не стоит бояться китайских производителей, крупные компании вроде JA Solar, Suntech или Helios House выпускают солнечные панели высокого качества. Хотя, конечно, лучше выбирать европейские или североамериканские компании: First Solar, Canadian Solar, Solarworld, Viessmann Group. Отличные характеристики и у солнечных батарей родом из Японии и Южной Кореи: Hanwha Solar One, Sharp, Kyocera, Sanyo.
2. Толеранс. Это разница между паспортной и реальной мощностью солнечной батареи. Если реальная мощность меньше паспортной, то толеранс негативный, если больше, то позитивный. Толеранс должен быть нулевым или позитивным, поскольку при негативном толерансе вы все равно платите полную стоимость, то есть оплачиваете несуществующие ватты. У дешевых панелей допустим негативный толеранс, но только если он не больше 2-3%. Это значит, что при номинальной мощности 100 кВт/м2 панель должна выдавать не меньше 97-98 кВт/м2.
3. Температурный коэффициент. При увеличении температуры мощность солнечной панели уменьшается. Температурный коэффициент отображает, насколько мощность упадет с ростом температуры, поэтому чем он меньше, тем лучше.
4. Значение PTC. Чтобы солнечные батареи разных производителей можно было сравнивать, они тестируются при стандартных условиях (STC). Эти условия далеки реальных, поэтому был разработан независимый стандарт PTC, который лучше отражает условия эксплуатации панелей. Чем ближе отношение PTC/STC к единице, тем лучше солнечная батарея будет работать на крыше вашего дома.
5. КПД панелей. Здесь все просто: чем выше КПД, тем лучше панели преобразовывают солнечную энергию в электрическую. Допустимым считается КПД от 15%, но оптимальный показатель выше — 18-20%.
6. Срок гарантии. Мы уже говорили о гарантии на панели в 25 лет. Это минимальный срок и фактический стандарт отрасли. Поэтому, если вы хотите купить солнечную панель для дома, а не переносной солнечный модуль для кемпинга, обращайте внимание на срок гарантии и всегда внимательно изучайте условия.

Теперь о цене. Для большинства людей это главный параметр системы, но мы рекомендуем смотреть на него в последнюю очередь. На длинной дистанции в десятки лет брендовое и дорогое оборудование часто оказывается более выгодным, чем дешевое. Такие солнечные панели медленнее стареют, выдают большую мощность на единицу площади, часто имеют даже не нулевой, а позитивный толеранс. Все это суммарно компенсирует большую изначальную стоимость уже через 5-8 лет работы. Конечно, речь идет об оправдано дорогом оборудовании. Например, лучше купить солнечную батарею на крышу из монокристаллических элементов топового производителя, чем такую же панель, изготовленную мелкой компанией. Если же вы покупаете панели, которые сделаны по последней технологии или модные модули в виде черепицы и других кровельных материалов, то это сложно назвать рациональной покупкой.

Кроме того, смотрите не на цену всей батареи, а на стоимость 1 Вт энергии. Это более информативный показатель, поскольку мощность солнечных панелей одного размера, но разных производителей часто отличается на десятки процентов.

Что влияет на производительность солнечной электростанции

Максимальная производительность домашней солнечной электростанции ограничена производительностью солнечных панелей. А вот то, сколько электричества будет вырабатывать система в реальных условиях, зависит от целого ряда не всегда очевидных для покупателя вещей.

Качество оборудования

Кроме самой солнечной панели, в домашнюю СЭС входит как минимум еще два устройства: контроллер и инвертор. И обычно их подбирают по остаточному принципу. Из-за этого потери на них могут достигать 20-25%. То есть вы будете получать всего 75% от вырабатываемой солнечными панелями энергии только потому, что не уделили выбору инвертора и контроллера достаточно внимания. Для сравнения, по стандарту потери не должны превышать 5%.

Качественный инвертор — это, прежде всего, устройство с высоким КПД — от 95%. Причем это должен быть реальный КПД, а не просто числа на корпусе. Например, средние и мелкие китайские производители часто завышают показатели своих инверторов, в реальности же их КПД может быть 85% и даже 80%. Поэтому лучше выбирайте контроллеры и инверторы европейских, японских или американских производителей. Продукцию китайских заводов, за исключением очень крупных производителей, стоит покупать, только если есть возможность проверить соответствие реального КПД номинальному.

Кроме того, со временем инвертор и контроллер нужно будет поменять. И чем качественнее он будет, тем позже понадобится такая замена. Например, топовые устройства меняют через 15-16 лет, в то время как дешевые инверторы часто выходят из строя, не отслужив и 5 лет.

Расположение

Эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую зависит от угла, под которым лучи солнца падают на панель. В России этот угол максимальный, если панели направлены строго на юг. В этом случае домашняя СЭС будет выдавать наибольшую мощность. Юго-восточное и юго-западное направление чуть хуже, но это тоже хороший вариант — мощность будет ниже, но незначительно. Направлять панели на запад, восток и, тем более, север нежелательно из-за сильного снижения производительности домашней солнечной электростанции.

Если скаты дома направлены на запад или восток, то выгоднее ставить панели прямо на грунт. Такой монтаж солнечных батарей немного дороже из-за заливки фундамента и необходимости в мощном каркасе, но эти расходы окупаются большей производительностью панелей.

Уровень инсоляции

Далеко не все регионы России подходят для установки солнечных батарей. На севере страны, включая Санкт-Петербург, уровень инсоляции слишком мал, чтобы у солнечных панелей была приемлемая эффективность. Это, опять-таки, связано с углом падения солнечных лучей, только на этот раз не с горизонтальным, а с вертикальным. И чем ближе к югу, тем выше солнце над горизонтом и больше солнечных дней.

Кроме того, от географических координат зависит и угол наклона солнечных панелей. На севере их нужно ставить под большим углом, а по мере движения на юг этот угол уменьшается до тех пор, пока не становится почти нулевым на экваторе.

Независимо от уровня инсоляции, выработку солнечных панелей можно увеличить, если установить их на поворотные платформы и подключить к устройству слежения за солнцем. Устройство поворачивает солнечную батарею в течение дня так, чтобы она, как подсолнух, постоянно была направлена на солнце. Для этого панели крепят на держателе, который параллелен полярной оси. Именно такой способ монтажа описывает последняя строчка в таблице. Поворотные устройства очень эффективны, но при этом стоят они дорого, поэтому солнечные панели для дома оснащаются ими редко.

Затенение панелей

Вы построили дом прямо в лесу в тени высоких деревьев? Поздравляем — это красиво и экологично, но поставить солнечные батареи на крышу такого дома вряд ли получится. Точнее, установить их можно, вот только эффективность панелей в тени невелика. Тоже касается и любой другой тени, например, от близлежащего многоквартирного дома или большого коттеджа соседа. Если затенение есть, то нужно либо убрать препятствие, например, дерево, либо установить панели не на кровле, а на солнечной части приусадебного участка.

5 реальных причин поставить солнечные панели на крыше дома

Солнечные батареи — горячая тема. Сторонники этой технологии приписывают ей множество достоинств, часто несуществующих. Противники, наоборот, отрицают даже очевидные преимущества. Истина, как всегда, посередине. Установка солнечных батарей крыше дома в ряде случаев более чем оправдана из-за пяти причин:

1. Автономность. Для домов вдали от цивилизации солнечные батареи — настоящая находка. В отличие от генераторов, топливо для которых может закончиться, солнце будет светить всегда. Во всяком случае, в ближайшие пять миллиардов лет. Поэтому на базе солнечных панелей можно построить действительно автономное электроснабжение дома.
2. Экологичность. «Зеленые» активно спорят с экологичностью солнечных батарей, справедливо указывая, что на производство некоторых из них тратится больше энергии, чем можно получить за все время их эксплуатации. Вот только изготавливают панели в тысячах километров от вашего дома, а бензиновый генератор отравляет воздух на крыльце. Поэтому солнечные панели однозначно экологичнее.
3. Защита от перебоев электроэнергии. Для охранной и пожарной сигнализации, котла отопления и даже холодильника длительное отключение электроэнергии приводит к проблемам. Солнечные батареи даже небольшой мощности обеспечивают бесперебойное питание критическим потребителям в любых условиях.
4. Экономия электроэнергии. Монтаж солнечных батарей на крыше дома сильно снижает расходы на оплату электричества. Причем срок окупаемости панелей — всего 7-10 лет в зависимости от тарифов и ежемесячного потребления. Дальше они начинают приносить чистую прибыль.
5. Увеличение срока службы кровли. Хотя это побочный эффект установки солнечных батарей, от этого он не становится менее значимым. При грамотном монтаже солнечные панели защищают значительную часть кровельного материала от осадков и к тому же уменьшают количество наледи на скатах, поскольку во время работы они выделяют тепло.

Конечно, эти преимущества нужно сопоставлять с эффективностью солнечных панелей в конкретных условиях, а также со стоимостью системы.

Сколько стоит установка домашней солнечной электростанции

Цена установки солнечных батарей на крыше в основном зависит от двух факторов: вида системы и ее мощности. И если с мощностью все понятно — чем она больше, тем дороже домашняя солнечная электростанция, то о ее видах расскажем подробнее.

Системы электроснабжения с солнечными панелями на крыше дома бывают трех видов:

1. Автономные — дорого, но без забот. В этом случае дом получает электроэнергию только от солнечных батарей и, возможно, бензинового или дизельного генератора. Для работы системы необходимы аккумуляторы и немало: их емкости должно быть достаточно, чтобы обеспечить бесперебойное электроснабжение в темное время суток.
2. Соединенные с сетью — бюджетно и просто. В такой системе недостаток энергии компенсируется от общей электросети, в нее же отдаются излишки в пиковое время выработки. В этом случае не нужны аккумуляторы, а на отданной энергии можно даже заработать. Но при перебоях в электроснабжении солнечные батареи работать также не будут.
3. Гибридные — оптимум для больших домов. Эти системы оснащают аккумуляторами, но после их полной зарядки в пиковое время не отключают панели, а передают электроэнергию с них в сеть. Также от сети можно компенсировать недостаток электроэнергии, в том числе и зарядить аккумуляторы.

Аккумуляторные батареи стоят дорого, к тому же их нужно менять раз в 3-8 лет в зависимости от типа аккумулятора и режима использования. Поэтому их наличие сильно удорожает систему.  Если брать средние числа, то:

1. Автономная система на 1 кВт*ч/сутки будет стоить 120-140 тысяч рублей, а при мощности в 5 кВт*ч/сутки ее цена увеличится в два раза — до 280 тысяч рублей. На этом примере видно, что для оценки порядка цен неважно, сколько стоит солнечная батарея на крышу конкретного производителя. Нужна только информация о стандартной цене 1 Вт энергии, которая примерно равна 60-65 рублей. Тип солнечных батарей, их производитель, марка инвертора и контроллера, конечно, влияют на цену, но дают ее изменение на десятки процентов, а не в разы или на порядок.
2. Соединенная с сетью система на 1 кВт*ч/сутки будет стоить 30-35 тысяч рублей, а при мощности в 5 кВт*ч/сутки ее цена увеличится до 70-80 тысяч рублей.
3. Гибридная система стоит на 10-15% дороже автономной аналогичной мощности за счет большей сложности монтажа.

При расчете стоимости установки солнечных батарей смотрите цену 1 кВт полностью готовой системы с установкой и без нее. Так вы сможете быстро сравнить предложения разных компаний между собой и выбрать самое выгодное.

Установка солнечных батарей в частном доме

Установка солнечных панелей на крыше — это сложная задача, поскольку нужно не просто закрепить батареи на крыше, но и правильно соединить их и собрать в одну систему. Поэтому монтажом должны заниматься специалисты. При этом подготовительный этап работ — ответственность владельца дома.

На подготовительном этапе вы должны оценить состояние кровли. Установка солнечных батарей на дом делает капитальный ремонт крыши очень дорогим, поэтому вы должны быть уверены, что кровля прослужит еще не менее 25 лет. Если у вас есть в этом сомнения, то лучше перестелите кровельное покрытие.

Убедитесь, что стропильная система выдержит дополнительную нагрузку. В среднем сами панели весят 15-18 кг/м2, что обычно не критично. Но если крыша пологая, то батареи наклоняют с помощью подпорных конструкций. В этом случае снег будет скапливаться как на самом скате, так и на панелях, и тогда нагрузка может стать существенной. Если у вас такой случай, укрепите стропильную систему подпорками и дополнительными упорами.

Наконец, всегда проверяйте, какие монтажные комплекты будут использовать строители. Избегайте самоделок — брендовые монтажные комплекты тщательно рассчитываются производителями и, главное, испытываются. Поэтому они без проблем выдерживают штормовые ветра и большой вес снегового покрова, чего нельзя сказать о самодельных кронштейнах и рейках.

В остальном придется довериться монтажной бригаде. При этом старайтесь контролировать качество работ на каждом этапе. В этом вам поможет видео, в котором показаны особенности установки солнечных панелей на крыши из разных материалов:

Подведем итоги

Солнечные панели — прогрессивная «зеленая» технология, которая позволяет сделать дом автономным и независящим от местного поставщика электроэнергии. Кроме того, с ее помощью можно сэкономить на оплате счетов за электричество и увеличить срок службы крыши.

При выборе солнечных панелей нужно учитывать их производителя, толеранс, температурный коэффициент, КПД, PTC и сроки гарантии. Но даже лучшие солнечные батареи будут работать плохо, если направить их не на юг, а на север, установить в месте, на которое падает тень, и сэкономить на других элементах системы: контроллере и инверторе.

Монтажом солнечных панелей должны заниматься профессионалы. Но контроль за качеством работ, а также подготовительный этап обычно берет на себя владелец дома. Нужно проверить состояние кровли, убедиться, что она выдержит дополнительную нагрузку и проследить, чтобы батареи ставились на фирменные монтажные комплекты.

 

---