Солнечные батареи: сфера применения и принцип работы оборудования

Что можно получить от солнечных батарей?

Обеспечить свой дом теплом и горячей водой бесплатно, только за счет солнечной энергии — сценарий возможный, однако нужно понимать, что это не круглогодичное решение.

Дело в том, что на нашей широте наблюдается неравномерное распределение солнечного света в течение года. В России мы можем наслаждаться прекрасным солнцем только в течение нескольких летних месяцев. В свою очередь, с осени до начала весны лучам приходится пробиваться сквозь густые облака. Следовательно, использование солнечной энергии в этот период ограничено.

По этой причине солнечные батареи могут полностью удовлетворить задачу обогрева дома только в летние месяцы. В оставшиеся месяцы они лишь незначительно будут поддерживать тепло в доме.

В любом случае, установив такую систему на крыше, в течение 5-7 месяцев в году мы сможем бесплатно пользоваться горячей водой, что, безусловно, станет значительным облегчением для семейного бюджета, не говоря уже об охране окружающей среды.

Виды аккумуляторов, используемых в батареях

Аккумуляторы – важный элемент системы круглосуточного электроснабжения дома солнечной энергией.

В таких устройствах используются следующие виды аккумуляторов:

• стартерные;
• гелевые;
• AGM батареи;
• заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы.

Аккумуляторы других типов, например, щелочные или литиевые дорогие и используются очень редко.

Все эти виды устройств должны работать при температуре от +15 до +30 градусов.

Стартерные аккумуляторы

Самый распространенный тип аккумуляторов. Они дешевы, но обладают большим током саморазряда. Поэтому через несколько пасмурных дней батареи разрядятся даже при отсутствии нагрузки.

Недостатком таких устройств является то, что при работе происходит газовыделение. Поэтому их необходимо устанавливать в нежилом, хорошо проветриваемом помещении.

Кроме того, срок службы таких аккумуляторов до 1,5 лет, особенно при многократных циклах заряд-разряд. Поэтому в долгосрочной перспективе эти устройства окажутся самыми дорогими.

Гелевые аккумуляторы

Гелевые аккумуляторы –изделия, не требующие обслуживания. При работе отсутствует газовыделение, поэтому их можно устанавливать в жилой комнате и помещении без вентиляции.

Такие устройства обеспечивают большой выходной ток, имеют высокую емкость и низкий ток саморазряда.

Недостаток таких приборов в высокой цене и небольшом сроке службы.

AGM батареи

Эти батареи имеют небольшой срок службы, однако, у них есть много преимуществ:

• отсутствие газовыделения при работе;
• небольшими размерами;
• большим количеством (около 600) циклов заряда-разряда;
• быстрым (до 8 часов) зарядом;
• хорошей работой при неполном заряде.

Заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы

Такие устройства являются самыми надежными и имеют наибольший срок службы. Они обладают низким током саморазряда и высокой энергоемкостью.

Эти качества делают такие приборы наиболее популярными для установки в фотоэлементных системах.

Использование гибких солнечных панелей

Природа не терпит прямых углов, поэтому гибкие панели лучше соответствуют изгибам окружающей среды, чем стандартные солнечные панели. Гибкие солнечные панели можно устанавливать на навесах, палатках или изогнутых крышах зданий и транспортных средств.

Лодки

Лодки на солнечных батареях варьируются от прогулочных судов и дневных лодок до барж и плавучих домов. Гибкие солнечные панели могут соответствовать неправильным формам многих поверхностей, будь то навес над палубой или крыша рулевой рубки.

Обязательно приобретите хорошо закрытые панели, подходящие для морских условий. Ищите степень защиты от атмосферных воздействий 67 или выше. Добавьте аккумулятор для хранения электроэнергии, вырабатываемой панелями, и вы сможете плавать, не беспокоясь об остановках для дозаправки. ()

Дома на колесах и кемперы

Welcomia / Getty Images

Добавление гибких солнечных панелей на крышу вашего дома на колесах не превратит ваш жилой дом в электромобиль на солнечной энергии, но они могут позволить вам управлять фарами и приборами от электроэнергии, вырабатываемой солнечными панелями.

Гибкие панели уменьшают вес вашего автомобиля и легко устанавливаются. Ряд жилых автофургонов, домов на колесах и трейлеров поставляются либо с местами под солнечные панели, либо с солнечными панелями. Ваша система будет работать лучше всего, если у вас будет достаточная выходная мощность от солнечных панелей и аккумулятора для хранения этой электроэнергии для использования ночью и в пасмурные дни. Батарея, безусловно, тише генератора, но не ожидайте, что она сможет питать кондиционер всю ночь.

Кемпинг и пеший туризм

Если вы путешествуете по дикой местности и беспокоитесь о том, что аккумулятор вашего смартфона разрядится, вы можете прикрепить гибкую солнечную панель к открытой стороне вашего рюкзака и заряжать свой смартфон во время похода. Если вы собираетесь в автомобильном кемпинге, поместите панели на люк на крыше, чтобы зарядить портативный аккумулятор, чтобы ваши фонари работали после наступления темноты. Зимой в кемпинге гибкая панель лучше поглощает свет, преломленный снегом, а также прямые солнечные лучи.

Альтернативные солнечные панели для крыши

Обладая легкостью, гибкие солнечные панели подходят для крыш, которые не выдерживают веса стандартных солнечных панелей.

Установка гибких панелей намного проще, чем стандартных солнечных панелей, поскольку для последних требуются монтажные кронштейны и уплотнительные материалы для предотвращения протекания крыши. И без необходимости в монтажных кронштейнах и другом оборудовании гибкие панели легче перемещать, если, например, вы решили продать свой дом и хотите взять с собой солнечные панели.

Гибкие солнечные панели также могут расширять традиционные солнечные панели на крыше, заполняя пространства, слишком маленькие или слишком деформированные для размещения стандартных солнечных панелей, или вы можете добавлять их в систему, когда ваши потребности в электроэнергии растут.

Оборудование для частной солнечной станции

Бытовые солнечные станции бывают сетевые, автономные и гибридные. Как следует из названия, сетевые используются в тех случаях, когда объект присоединен к внешней электрической сети и работает одновременно с ней. Автономные и гибридные могут работать без подключения к внешней сети.

Сетевые дешевле всех и позволяют уменьшить счета за электроэнергию, снижая объем потребления из внешней сети. Автономные и гибридные дороже, но позволяют накапливать электроэнергию в аккумуляторах, чтобы использовать ее в темное время суток или когда подача электроэнергии прерывается. Минус первых в том, что они не могут стать резервным источником энергии: при аварии во внешней сети не получится использовать энергию панелей, так как они автоматически отключатся. Минус вторых и третьих — в дороговизне.

Все солнечные станции состоят из солнечных панелей, коннекторов, то есть соединителей, проводов и инверторов, которые преобразуют постоянный ток от солнечных панелей в переменный и позволяют управлять всеми потоками электроэнергии. Аккумуляторы используются только в автономных и гибридных станциях.

Есть множество производителей оборудования, в том числе российских. Станцию можно скомпоновать из оборудования от разных производителей.

Для нашего анализа возьмем уже скомпонованные станции разных типов и мощности от разных поставщиков и посчитаем их среднюю розничную стоимость. Рассчитаем среднюю стоимость производства электроэнергии на протяжении всего жизненного цикла и выберем наиболее подходящий вариант, чтобы на его основе оценить целесообразность установки солнечных станций в разных субъектах РФ.

Для расчета возьмем средний срок службы панелей — 25 лет. Среднегодовой объем выработки электроэнергии посчитаем по инсоляции Челябинской области: там средний для РФ показатель, 1101 кВт·ч в год на 1 кВт мощности. Также учтем стоимость денег — возьмем среднюю ставку между банковским вкладом и кредитом, 8%, на срок службы панелей. Полную стоимость оборудования рассчитаем с помощью кредитного калькулятора.

Расчет верен для 2021 года. В 2022 году стоимость оборудования для энергоснабжения от солнца возросла, а некоторые иностранные производители прекратили поставки в Россию. Но общий принцип остается неизменным: чем выше мощность станции, тем дешевле энергия. Есть станции и большей мощности, чем 15 кВт, но мы ограничились средним объемом присоединенной мощности домохозяйств.

Мощность станции необходимо подбирать так, чтобы выработка электроэнергии не превышала средний объем вашего потребления. Даже если дом имеет присоединенную мощность 15 кВт, это совершенно не значит, что вам нужны панели такой мощности. 15 кВт в этом случае — ваш максимум, при превышении которого сработает автоматика и электричество отключится. А средняя потребляемая мощность может составлять только 1—5 кВт — на это значение и нужно ориентироваться, чтобы использование солнечной станции было экономически целесообразным.

В статье мы рассматриваем солнечные станции с точки зрения экономии, а не как резервный или автономный источник энергии. Поэтому мы не будем использовать автономные и гибридные станции: они сильно дороже. И у аккумуляторов гораздо меньший срок службы, чем у солнечных панелей, — а это негативно влияет на сроки окупаемости.

Для анализа мы возьмем сетевую солнечную станцию без аккумуляторов средней мощностью 5 кВт. Держим в голове, что выработка всех станций мощностью ниже 5 кВт будет дороже, а выше 5 кВт — дешевле.

Принцип работы

Превращение энергии солнца происходит в фотоэлементах, подключенных последовательным или параллельным путем. В основе фотоэлектрического вещества лежит кремниевый кристалл. Кремний в виде соединений широко распространен на планете. К примеру, кремниевый оксид – песок или глина. Так что кристалл кремния в упрощенном варианте – это песчинка. Технические кристаллы производятся в лабораториях искусственным способом. Сначала они выращиваются в форме кругляка, затем получают из него шестигранник, из которого делают пластины. Каждая пластина имеет толщину 200 микрон, что всего в три раза толще обычного волоска.

На кремниевые пластины с одной стороны наносят бор, а со второй – фосфор. Там, где кремний соприкасается с бором, возникает избыток электронов. На противоположной, где пластина контактирует с фосфором, наблюдается их нехватка. Совмещение этих сторон называется границей p-n.

Когда на фотоэлементы в составе батарей попадает свет солнца, их поверхность атакуют фотоны. Они вытесняют «лишние» электроны на границе с бором, и направляются на противоположную – фосфорную сторону с «пробелами». Так появляется электрический ток, представляющий собой согласованное перемещение электронов. От фотоэлементов отходят металлические тропинки, через них и проводится ток. В этом и заключается суть работы солнечного элемента.

Принцип работы солнечных панелей

Использование солнечных панелей является эффективным и экономически выгодным решением для местностей с постоянными перепадами электроэнергии и отсутствием газопровода. Благодаря высокой мощности каждого модуля батареи способны накапливать достаточно энергии в течение светового дня и получать ее даже в пасмурную погоду.

Производительность солнечных батарей значительно выше в южных регионах, тогда как на севере для них необходимо выделять большие площади. Принцип работы установки заключается в получении энергии солнца модулями, которые выступают в роли генераторов.

Батареи функционируют на основе фотоэлектрической реакции, а выработка тока происходит от нагретых тел. Для изготовления панелей используется кремний, а для увеличения КПД несколько модулей объединяют в цепочки. Для обогрева помещений необходимо в доме устанавливать специальное распределительное оборудование и аккумуляторы.

Преимущества солнечных батарей

Солнечная энергия — это перспективное направление, которое постоянно развивается. Они имеют несколько основных достоинств. Удобство использования, долгий срок службы, безопасность и доступность.

Положительные стороны применение данной разновидности аккумуляторных батарей:

• Возобновляемость – этот источник энергии практически не имеет ограничений притом бесплатный. По крайней мере на ближайшие 6.5 миллиардов лет. Нужно подобрать оборудование, установить его и использовать по назначению (в частном доме или коттеджном участке).
• Обильность – Поверхность земли в среднем получает около 120 тысяч терравват энергии что в 20 раз превышает нынешнее энергопотребление. Солнечные батареи для коттеджей или частных домов имеют огромный потенциал для использования.
• Постоянство – солнечная энергия постоянна поэтому человечеству не грозит перерасход в процессе ее использования.
• Доступность – солнечная энергия может вырабатывать на любой территории, при наличии естественного света. При этом чаще всего она применяется для отопления жилища.
• Экологическая чистота – солнечная энергетика является перспективной отраслью, которая в будущем заменит электростанции, работающие на невозобновляемых ресурсах: газ, торф, уголь и нефть. Безопасны для здоровья людей и домашних животных.

• При производстве панелей и монтаже солнечных электростанций в атмосферу не происходят значительные выбросы вредных или токсичных веществ.
• Бесшумность – выработка электроэнергии производится практически бесшумно, и поэтому этот вид электростанций лучше ветровых электростанций. Их работа сопровождается постоянным гулом из-за чего оборудование быстро выходит из строя, а сотрудники должны делать частые перерывы на отдых.
• Экономичность – при использовании солнечных батарей владельцы недвижимости ощущают значительное снижение коммунальных расходов на электроэнергию. Панели имеют долгий срок службы – производитель дает гарантию на панели от 20 до 25 лет. При этом обслуживание всей электростанции сводится к периодической (раз в 5-6 месяцев) очистке поверхностей панелей от грязи и пыли

Схема и принцип работы домашней электростанции

Имея только солнечную батарею, не получится использовать производимую ей электроэнергию для питания электрических приборов. Чтобы создать домашнюю электростанцию по стандартной схеме (с напряжением на выходе 220 В), кроме гелиопанели понадобится приобрести (или самостоятельно собрать) еще ряд устройств:

• аккумуляторную батарею (АКБ);
• контроллер;
• инвертор.

Устройства должны соответствовать по своим рабочим характеристикам друг другу. Все подсоединения на участке цепи с постоянным током должны выполняться строго с соблюдением указанной полярности.

Работает схема так:

1. Вырабатываемое фотоэлементами солнечной панели напряжение подается на соответствующие клеммы контроллера. Прибор распределяет электроэнергию между потребителями и аккумулятором. Он контролирует величину заряда АКБ, защищая ее (от перезарядки или полной разрядки) и панель (от обратных токов).
2. Так как гелиопанель вырабатывает постоянный ток, то после контроллера (или аккумулятора) питание поступает на инвертор. Данный прибор предназначен для преобразования постоянного напряжения (величиной 12, 24 или 48 В) в переменное (220 В частотой 50 Гц).
3. После инвертора уже осуществляется подключение домашнего электрооборудования.

Аккумуляторы выполняют свою стандартную функцию – являются накопителями энергии. Заряжаются они в светлое время суток, а разрядка происходит ночью.

Для повышения уровня надежности электроснабжения устанавливают две аккумуляторные батареи: основную и резервную. Избыточная электроэнергия будет сохраняться в «резерве». Соединяют аккумуляторы последовательно или параллельно в зависимости от вольтажа АКБ и необходимой величины напряжения на их общем выходе. Пример представлен на иллюстрации:

Чтобы сэкономить, можно обойтись без контроллера или аккумулятора либо без обоих устройств. В первом случае понадобится постоянно следить за уровнем заряда АКБ и отключать их в ручном режиме. Если этого не делать, то аккумуляторы быстрее выйдут из строя, не будут оптимальным образом функционировать панели. При отсутствии аккумуляторной батареи электростанция будет функционировать только при достаточном уровне освещенности. Такой вариант подходит только для совместной работы с системой централизованного электроснабжения.

Бывают случаи, когда используются для освещения лампочки на 12 В постоянного напряжения. Тогда инвертор не нужен.

Для защиты участков цепей переменного и постоянного тока используют предохранители с соответствующим номиналом по силе тока. Гелиопанели от перегрева и перегрузок по напряжению спасают с помощью диодов. Их число рассчитывается по количеству фотоэлементов в схеме.

Чтобы повысить эффективность работы гелиопанелей, их можно оснастить поворотными механизмами. Последние разворачивают панели максимальной площадью к Солнцу, используя специальные датчики слежения за светилом.

Из чего сделаны

Чтобы изучить устройство солнечной батареи, нужно разобраться в основных разновидностях, так как технология производства имеет существенные различия в зависимости от используемого сырья:

1. Батареи CdTe. Теллурид кадмия применяется при изготовлении пленочных модулей. Слоя в несколько сотен микрометров хватает для того, чтобы получить КПД порядка 11% или немного выше. Это откровенно низкий показатель, зато в пересчета на 1 Ватт мощности себестоимость электроэнергии получается как минимум на 30% дешевле, чем у традиционных вариантов из кремния. При том, что данная разновидность намного тоньше и легче.
2. Тип CIGS. Аббревиатура обозначает, что в состав входят медь, индий, галлий и селен. Получается полупроводник, который также наносится небольшим слоем, но в отличие от первого варианта тут эффективность на порядок выше и составляет 15%.
3. Типы GaAs и InP отличает возможность нанесения тонкого слоя в 5-6 мкм, при этом КПД будет составлять около 20%. Это новое слово в технологиях добычи электроэнергии из солнечного света. Благодаря высоким рабочим температурам батареи могут сильно нагреваться без потери эксплуатационных характеристики. Но из-за того, что при производстве используются редкоземельные материалы, себестоимость этого типа высока.
4. Батареи с квантовыми точками (QDSC). В них в качестве поглощающего материала для преобразования солнечной энергии используются квантовые точки вместо традиционных объемных материалов. За счет особенностей настройки запрещенных зон можно делать многопереходные модули, поглощающие солнечную энергию более эффективно.
5. Аморфный кремний наносится методом испарения и имеет неоднородную структуру. Он не отличается высокими показателями КПД, но однородная поверхность очень хорошо поглощает даже рассеянный свет.
6. Поликристаллические варианты изготавливаются путем плавления кремния и его охлаждения при определенных условиях, чтобы получить однонаправленные кристаллы. Одно из самых распространенных решений благодаря дешевизне производства и неплохим показателям КПД.
7. Монокристаллические элементы состоят из цельных кристаллов, разрезанных на тонкие пластинки и легированных фосфором. Самое долговечное решение, у которого низкие показатели деградации и срок службы, составляющий как минимум 30 лет, но чаще всего больше на 10-15 лет.

Батареи из теллурида кадмия – одни из самых выгодных по себестоимости киловатта электроэнергии.

Кстати! Эффективность того или иного варианта зависит от технологии производства, поэтому ее нужно уточнять.

Установка

Монтировать панели допускается практически как угодно – вертикально, горизонтально, под наклоном. Однако следует учитывать, что максимальную отдачу модули дают при падении солнечных лучей на рабочую поверхность перпендикулярно. При этом нужно обеспечить и максимальное время облучения.

Отсюда – некоторые рекомендации по установке:

• Ориентировать фотоприемники на юг.
• Располагать панели под углом, равным широте местности.
• Изменять (по возможности) угол наклона на 20% — увеличивать зимой и уменьшать летом.

Следует также позаботиться, чтобы в течение всего светового дня модули не подвергались затенению деревьями на участке или другими зданиями. В этом случае удастся обеспечить максимальную мощность генерации. Особенно критично это для монокристаллических батарей, отдача которых существенно снижается в рассеянном свете.

На что обратить внимание при покупке солнечных батарей для дома

Данная информация будет полезна, если вы решили перейти на солнечный источник энергии

Приобретая все комплектующие для такой системы, нужно знать, где можно сэкономить, а на что обратить особое внимание:

1. Покупайте составляющие (панели, аккумулятор, инвертор) в конце зимы-начале весны. Как правило, магазины в это время предоставляют большие скидки.
2. Не покупайте сразу много солнечных батарей. Помните, что эта система модульная, и добрать необходимое количество для обеспечения нужд бытовой техники очень просто.
3. Желательно заменить все лампы накаливания в доме на светодиодные или LED. Они потребляют меньше энергии, а срок службы у них дольше.
4. Для дома приобретайте солнечные батареи с выходным напряжением в 12 В. Именно такие значения подойдут для бытовой техники, очень мало приборов используют 24 В и 48 В. Все показатели напряжения вы можете найти в паспорте устройств.

При выборе солнечных батарей обратите внимание, что каждая должна быть помещена в защитный корпус из алюминия. Этот металл легкий, прочный, стойкий к коррозии. Сверху защитное стекло должно быть матовым, не давать глянца и бликов

Сверху защитное стекло должно быть матовым, не давать глянца и бликов.

Обеспечивать свой дом уютом, теплом и не платить за электричество вполне возможно. Для этого нужно установить такую систему энергоснабжения. Но стоит учитывать, что она тоже требует значительных вложений и обладает рядом нюансов. Изучив все положительные и отрицательные стороны, мы надеемся, что вы сделаете правильный выбор.

На что еще обратить внимание

Хотите сделать полностью автономный дом с солнечными батареями и пользоваться альтернативным электричеством? Стоит принять во внимание несколько важных факторов, которые и помогут определиться с окончательным решением, принесет ли солнечная батарея тот эффект для вашего частного дома, на который вы рассчитываете

Характер местности

Прежде всего, стоит учитывать местность, где расположено ваше домовладение. От этого будет зависеть мощность, выдаваемая батареей. Если дом находится в окружении высоких деревьев или многоэтажных зданий, то солнечные панели не смогут работать на полную мощность.

В условиях частичного затенения или неполного освещения лучше функционируют поликристаллические панели, а вот монокристаллические производить энергию не смогут. Потому-то для дачи с наличием приусадебного участка, где растут высокие садовые деревья, брать панель на монокристаллах нецелесообразно.

Климат

Солнце – это тот источник, откуда черпает энергию система солнечных батарей. Поэтому следует учитывать климатические условия региона, в котором расположен дом. А именно, сколько солнечных дней бывает в разное время года.

Количество солнечной энергии называется инсоляцией, вычисляемой по формуле: кВт/м²/количество дней. Эта цифра определяет, какой объем солнечного света попадет на панели, чтобы стать электроэнергией. Большое число означает большое количество полученной энергии от солнечных батарей для дома. Чтобы добиться получения необходимой выходной мощности при низкой инсоляции, понадобится большее покрытие поверхности коттеджа панелями.

Реальная потребность в энергии

Следует рассчитать, сколько энергии необходимо для покрытия всех потребностей. От этой цифры зависит, в какой зоне покрытия вы нуждаетесь. Лучше всего такие исчисления доверить профессионалам.

Если говорить о самых приблизительных цифрах, то получится, что в среднем один дом нуждается в 62 панелях, площадь которых составляет 65 м².

Обслуживание

При приобретении батареи для частного дома нужно быть готовыми к тому, что придется осуществлять ее обслуживание своими силами. Если панели корректно установлены, они прослужат долго, не выходя из строя. Но вот позаботиться об их чистоте предстоит самим владельцам.

Осадки в виде снега, пыльный налет, экскременты птиц, другие загрязнения закрывают доступ солнечного света к панелям. Электроснабжение дома будет при таких условиях значительно снижаться. Для очистки системы применяется полив водой из шланга. Если солнечная батарея для квартиры размещена на балконе, уход в этом случае намного проще, чем за теми, которые располагаются в доме на крыше.

Также следует следить за исправностью всех элементов.

Утилизация

Срок эксплуатации солнечных панелей доходит до 50 лет, вспомогательных компонентов (контроллеров и инверторов) – до 20 лет, аккумулятор прослужит с учетом его типа и условий использования до 10 лет.

Стоит подумать об утилизации отработанных элементов. Мало кто принимает отработанные солнечные модули для переработки, но все же спрос на них ежегодно увеличивается. Повторная переработка даст им новую жизнь, они найдут свое достойное применение. Бывшие в использование солнечные батареи на даче станут хорошей альтернативой привычному электричеству.

Область альтернативной электроэнергетики постоянно развивается, совершенствуются уже имеющиеся технологии. Стоит надеяться на удешевление современных разработок и их доступность в будущем для тех, кто желает иметь собственный независимый источник энергии.

Как вам статья?

Мне нравитсяНе нравится1