8-1-7 — Сонячний потенціал ділянки

У цьому уроці ти:

• зрозумієш, із чого складається сонячний потенціал ділянки й даху;
• оціниш вплив орієнтації та нахилу схилів даху й затінення;
• розрахуєш козирок над південним вікном, площу сонячного колектора й кількість сонячних панелей;
• складеш «сонячний паспорт ділянки» і завершиш HOUSE 4.0.

📖 1. Що таке сонячний потенціал ділянки

У попередніх уроках ти вивчав, де в небі знаходиться Сонце та скільки енергії воно дає. Тепер питання практичне: скільки цієї енергії може використати саме твій будинок?

Сонячний потенціал ділянки залежить від трьох речей:

1. Скільки сонця приходить до місцевості (широта, хмарність, пора року).
2. Наскільки його «видно» із ділянки й будинку: чи не заступають сусіди, дерева, власні будівлі.
3. Як розташовані поверхні, що приймають сонце: який азимут і нахил мають дах, стіни, вікна.

Навіть у дуже сонячному краї ділянка, повністю затінена деревами й сусідами, матиме малий потенціал, а в менш сонячному краї відкрита ділянка з південним дахом може дати чимало енергії.

📖 2. Орієнтація і нахил приймаючих поверхонь

У 8-1-3 ти розподіляв приміщення за сторонами світу. Тепер подивимося на дах і вікна як на «збирачів» енергії.

Вплив орієнтації схилу даху

Для середніх широт України, коли схил нахилений приблизно на 30–35°, відносна кількість енергії за рік (порівняно з найкращим варіантом) така:

Зверни увагу: навіть східний чи західний схил дає приблизно 85 %. Тому не обов’язково орієнтувати дах точно на південь; відхилення до 45° майже не позначаються на результаті.

Вплив нахилу

Ці числа орієнтовні, їх визначають за спеціальними розрахунками. Але вони підтверджують те, що ти знаєш із 8-1-4: оптимальний нахил приблизно 32–34° для всього року. Плоский дах теж працює непогано, а для нього часто використовують нахильні рами.

📖 3. Затінення: де Сонце заходить за перешкоду

Найкращі панелі й колектори даремні, якщо на них падає тінь. Крім того, навіть невелика тінь на одній панелі може суттєво зменшити віддачу всього ланцюжка, адже панелі часто з’єднані послідовно. Тому цей фактор перевіряють особливо ретельно.

Положення Сонця в «робочі години»

Найбільше енергії Сонце дає приблизно з 9:00 до 15:00 за сонячним часом. Ось його положення в ці моменти для φ ≈ 50° (значення округлені):

(О 15:00 картина дзеркальна: азимут 360° мінус значення для ранку, а висота та сама.)

Взимку о 9:00 Сонце лише на 6° над горизонтом: практично будь-яка перешкода його закриє. Тому взимку корисно працюють лише кілька годин навколо полудня, і саме вони найчутливіші до затінення.

Як перевірити перешкоду

1. Визнач висоту перешкоди над нижнім краєм приймаючої поверхні: H.
2. Виміряй відстань до неї: D.
3. Обчисли кут перешкоди: tg α = H : D.
4. Порівняй α з висотою Сонця в потрібний момент (наприклад, зимовий полудень 16,5° і рівнодення 9:00 — 27°). Якщо α більше, перешкода затіняє.

Приклад. Дерево заввишки 11 м, дах із панелями має нижній край на висоті 3 м, відстань 25 м на південь. Ефективна висота: 11 − 3 = 8 м. tg α = 8 : 25 = 0,32, α ≈ 17,7°. Це трохи більше за 16,5°: взимку опівдні дерево злегка заходить на нижній край панелей. Влітку й у рівнодення проблем немає. Що робити? Підняти або посунути панелі, підрізати крону чи вибрати інше місце.

Карта «сонячних годин»

Ще один простий спосіб оцінити ділянку: у день, близький до рівнодення (чи в будь-який ясний день), кожні дві години (9, 11, 13, 15) наносити тіні на план і позначати, які зони освітлені. Потім для кожної зони порахувати кількість сонячних годин:

• більше 6 год — повне сонце (підходить для теплиці, городу, терас, панелей);
• 3–6 год — напівтінь (підходить для відпочинку влітку, ягідних кущів);
• менше 3 год — тінь (хости, папороті, сарай).

📖 4. Як використати сонячну енергію

Є три основні способи.

Спосіб 1. Пасивний (архітектурний)

Це використання Сонця без машин: правильна орієнтація й вікна. Великі вікна на південь пропускають зимове сонце глибоко в кімнату й нагрівають її. Улітку, коли Сонце високо, потрібне затінення.

Козирок над вікном. Нехай південне вікно має висоту H = 1,5 м, а над ним є козирок завглибшки d. Його тінь на вікні має довжину s = d · tg h (аналогічно тіні від стіни).

• Щоб влітку (h = 63,5°, tg = 2,0) козирок затінив усе вікно: s = 1,5 м, звідси d = 1,5 : 2,0 = 0,75 м.
• Узимку (h = 16,5°, tg = 0,30) така сама тінь: s = 0,75 · 0,30 ≈ 0,23 м. Із 1,5 м висоти вікна затінено лише 0,23 м, тобто близько 85 % площі вікна освітлено.
• У рівнодення (tg = 0,84): s = 0,75 · 0,84 = 0,63 м.

Козирок завглибшки 0,75 м працює як «розумний» затінювач: улітку він закриває Сонце, а взимку майже не заважає.

Увага. Листопадні дерева з південного боку влітку дають тінь, а взимку — «голі», але гілки теж частково затінюють. Тому дерева з півдня садять із запасом відстані (див. правило 3,3 H).

Спосіб 2. Сонячні колектори (гаряча вода)

Колектор нагріває воду або теплоносій сонячним промінням. Скільки енергії треба для нагрівання води? Формула з уроків фізики:

Q = c · m · Δt, де c = 4200 Дж/(кг·°C) — питома теплоємність води, m — маса, Δt — зміна температури.

Приклад. Одна людина витрачає на добу близько 50 кг (50 л) гарячої води. Нагріваємо її з 10 °C до 55 °C, тобто Δt = 45 °C.

Q = 4200 · 50 · 45 = 9 450 000 Дж = 9,45 МДж. Оскільки 1 кВт·год = 3,6 МДж, то Q = 9,45 : 3,6 ≈ 2,6 кВт·год на людину за добу.

Для родини з 4 осіб: 4 · 2,6 ≈ 10,5 кВт·год на добу, або приблизно 3800 кВт·год на рік.

Сучасний плоский колектор дає орієнтовно 400–600 кВт·год з 1 м² за рік (у цій оцінці беремо 500). Якщо хочемо покрити близько 60 % потреб:

S = 0,6 · 3800 : 500 ≈ 4,6 м² ≈ 5 м².

Чому не 100 %? Влітку енергії багато, а взимку дуже мало; щоб покрити 100 % узимку, довелося б мати колектор, який улітку «закипав» би. Тому здебільшого розраховують на 50–70 % річних потреб. Для зберігання гарячої води потрібен бак (орієнтовно 50–75 л на кожен м² колектора, тобто для 5 м² це 250–375 л).

Спосіб 3. Фотоелектричні панелі (електрика)

Сонячна панель перетворює світло на електрику. Її паспортна потужність (пікова) вимірюється у кіловатах піка (кВтп). Типова панель: розмір ≈ 1,7 м × 1,1 м (≈ 1,9 м²), потужність ≈ 0,45 кВтп.

Скільки енергії дає панель за рік? У середньому в Україні орієнтовно 1000–1200 кВт·год на кожен кВтп (тобто приблизно 3 кВт·год на добу з 1 кВт, але влітку значно більше, а взимку значно менше). Для розрахунків візьмемо 1100 кВт·год/кВтп на рік.

Приклад 1. Скільки панелей потрібно? Родина споживає 300 кВт·год на місяць, тобто 3600 кВт·год на рік. Потрібна потужність: P = 3600 : 1100 ≈ 3,3 кВтп. Кількість панелей: 3,3 : 0,45 ≈ 7,3, тобто 8 панелей (≈ 15 м² площі).

Приклад 2. Що вміститься на даху? Південний схил даху має розмір 10 м × 4,5 м = 45 м². Придатна для панелей площа — приблизно 70 % (відступи, димар, вікна): 31,5 м². Тоді вміститься 31,5 : 1,9 ≈ 16 панелей, тобто 7,2 кВтп, а виробіток ≈ 7,2 · 1100 ≈ 7900 кВт·год на рік. Це більше, ніж потрібно родині.

Приклад 3. Навантаження на дах. Панель масою 22 кг має площу 1,9 м², тож навантаження 22 : 1,9 ≈ 12 кг/м². Порівняй зі сніговим навантаженням 100–200 кг/м² (урок 8-1-2): вага панелей мала, але важливо правильно закріпити їх проти вітру.

Баланс і поради

• Спочатку зменшуй споживання (утеплення, вікна, орієнтація), а вже потім виробляй енергію: це найдешевше й найрозумніше.
• Влітку енергії надлишок, взимку дефіцит: у середньому за рік баланс може бути «нульовим», але щомісяця ні.
• Мережа й акумулятори. Правила приєднання до електромережі та розрахунків за вироблену електрику встановлює законодавство, і вони змінюються. Перед реальним проєктом уточнюють їх в оператора мережі. На етапі проєкту передбач місце для обладнання (інвертор), заземлення, шлях кабелю.

📖 5. Сонячний паспорт ділянки

Підсумуй усе в одній таблиці:

🧪 Спробуй сам

1. Козирок. Південне вікно висотою 1,8 м. Яку глибину козирка потрібно, щоб улітку опівдні вікно було повністю затінене? Яка частина вікна буде затінена взимку опівдні?
2. Колектор. Родина з 3 осіб, на кожного 40 л води на добу, нагрів з 10 до 50 °C. Яка енергія потрібна на добу (у МДж і кВт·год)? Яка площа колектора покриє 60 % річних потреб, якщо 1 м² дає 450 кВт·год?
3. Панелі. Споживання 250 кВт·год на місяць, виробіток 1100 кВт·год/кВтп на рік, панель 0,45 кВтп. Скільки панелей потрібно?
4. Орієнтація. Схили даху мають азимути 190°, 270° та 100°. Оціни за таблицею відносну віддачу кожного.
5. Затінення. Нижній край панелей на висоті 3,5 м. На півдні за 20 м стоїть будинок висотою 9 м. Чи затінить він панелі взимку опівдні? А о 9:00 у рівнодення (h = 27°)?
6. Карта сонячних годин. За вказаним методом склади карту для свого двору й виділи зони «повне сонце», «напівтінь», «тінь».

Відповіді: 1) d = 1,8 : 2,0 = 0,9 м; узимку s = 0,9 · 0,30 = 0,27 м, тобто затінено 0,27 : 1,8 = 15 %. 2) Q = 4200 · 120 · 40 = 20 160 000 Дж ≈ 20,2 МДж ≈ 5,6 кВт·год на добу; на рік 5,6 · 365 ≈ 2040 кВт·год; S = 0,6 · 2040 : 450 ≈ 2,7 м². 3) 250 · 12 = 3000 кВт·год; P = 3000 : 1100 ≈ 2,7 кВтп; 2,7 : 0,45 ≈ 6,1, отже, 7 панелей. 4) 190° — відхилення 10°, приблизно 99–100 %; 270° — захід, ≈ 85 %; 100° — відхилення 80° від півдня, близько 87 %. 5) H = 9 − 3,5 = 5,5 м; tg α = 5,5 : 20 = 0,275, α ≈ 15,4°. Узимку опівдні 15,4° < 16,5°: затінення немає (запас малий). О 9:00 в рівнодення 15,4° < 27°: теж немає.

🔑 Ключові слова

• Сонячний потенціал — скільки сонячної енергії можна використати на ділянці.
• Кут перешкоди — кут, під яким видно верх перешкоди над горизонтом.
• Пасивне використання Сонця — використання без машин: орієнтація, вікна, козирки.
• Колектор — пристрій для нагрівання води сонячним теплом.
• Фотоелектрична панель — пристрій, що перетворює світло на електрику.
• кВтп (кіловат піка) — паспортна потужність панелі в стандартних умовах.

✅ Перевір себе

1. З яких трьох складових формується сонячний потенціал ділянки?
2. Наскільки зменшується річний виробіток, якщо схил даху звернений на схід чи захід?
3. Як перевірити, чи затінює перешкода панелі взимку?
4. Як розрахувати глибину козирка над південним вікном?
5. За якою формулою обчислюють енергію для нагрівання води?
6. Чому спочатку радять зменшувати споживання, а вже потім будувати сонячні установки?

📌 Коротко запам’ятай

Сонячний потенціал залежить від клімату, відкритості горизонту й орієнтації приймальних поверхонь. Схили даху на південь, південний схід чи південний захід дають найбільше, а нахил близько 32–34° підходить для цілого року. Затінення перевіряють порівнянням кута перешкоди з висотою Сонця. Козирок з розрахунком захищає від літнього перегріву, не відбираючи зимового тепла. Колектор і панелі розраховують за потребами родини, пам’ятаючи про сезонність.