Электричество с помощью солнечных батарей

«Бесплатное» электричество. Мифы и реальности о солнечных батареях.

Споры об экономический эффективности использования источников возобновляемой энергии в быту сошли на нет: солнечные батареи и ветряки применяются при отсутствии центрального энергоснабжения, а иначе они не окупаются. Однако с началом процедур принятия поправок в закон об электроэнергетике появляются стимулы использования солнечной и ветровой энергии.

Дело в том, что одним из самых дорогих компонентов солнечной электростанции являются аккумуляторные батареи, накапливающие энергию днем в солнечную погоду и отдающие ее в темное время суток. Кроме высокой стоимости аккумуляторы имеют ограниченный срок службы и требуют периодической замены.

Если будет окончательно реализован принцип выкупа избытка генерации электроэнергии сетевой компанией, то в роли аккумуляторов будет выступать городская электрическая сеть. Днем, в отсутствии основной части потребителей дома вырабатываемая солнечной панелью энергия будет передаваться в сеть, а вечером начнется потребление из нее.

Принцип работы и разновидности

Солнечная панель представляет собой набор полупроводниковых элементов, преобразующих солнечную энергию в постоянный ток.

Различают монокристаллические пластины и поликристаллические . Монокристаллические батареи более сложны в производстве и примерно на 10% дороже поликристаллических, но имеют более высокий КПД (примерно на 30%). Тем не менее, поликристаллические пластины медленнее снижают свои характеристики с течением времени. Другой вид солнечных панелей — пленочные, они менее эффективны и находят свое применение в мобильных устройствах.

КПД монокристаллической батареи в солнечный день может достигать 25% . Не стоит забывать, что с ростом температуры производительность панели снижается. Повышение температуры элемента на 10°С приводит к снижению его эффективности почти в два раза.

Схемы включения

В состав солнечной электростанции входит набор панелей необходимой мощности, контроллер заряда аккумуляторов, сами аккумуляторные батареи и инвертор, преобразующий постоянный ток панелей или аккумуляторов в переменный ток.

Если использовать сетевой инвертор , то его можно подключить к городской сети и исключить аккумуляторы с контроллером. В таком случае, если мощности солнечной генерации достаточно для обеспечения всей нагрузки дома, потребления из сети нет. Днем, когда светит солнце и потребление дома минимально, происходит выдача лишней мощности в сеть. За эту энергию электросетевая компания заплатит по рыночной цене. При недостатке мощности к «солнечной» электроэнергии подмешивается электросетевая.

Расчет и цена

В солнечную погоду каждый 1 кв.м. площади панелей вырабатывает до 100 Вт электроэнергии. Ставить солнечные батареи мощностью более 15 кВт не имеет смысла, для дома, в котором проживает 3-4 человека достаточно около 20 кв.м солнечных панелей.

Цена одного Ватта солнечной панели составляет около 35 руб . Батарея на 2 кВт будет стоить около 70 тыс.руб . Сетевой инвертор обойдется в 50 тыс.руб . Провода, выключатели и другие материалы, а так же монтаж, наладка потребуют еще около 30 тыс.руб . Итого за 150 тыс. руб . получаем солнечную электростанцию на 2 кВт .

Возьмем для примера Ростовскую область. В году примерно 950 ясных часов, когда выработка максимальная и около 2 тыс. облачных часов, пусть в эти дни выработка упадет вдвое. Тогда за год наша электростанция выработает примерно 4 000 кВт*ч. При цене 5,43 руб. за киловатт экономия составит около 20 тыс. руб. Т.е. за 7,5 лет затраты полностью окупятся.

Конечно расчет очень условный, европейское оборудование будет несколько дороже, а китайское, наоборот, позволит уменьшить затраты. Я хотел сказать, что в случае принятия государственной программы стимулирования возобновляемой частной микрогенерации может стать выгодным ставить на крышах своих домов солнечные батареи. Ваше мнение жду в комментариях.

Не забывайте ставить « лайк » и подписываться на канал если вам понравилась статья.

Статьи, которые могут быть полезны:

Источник

Электроснабжение при помощи солнечных батарей: обзор панелей на отечественном рынке

Статья поможет определиться с необходимостью приобретения автономных источников электроснабжения, широко охватывает тему автономного электроснабжения с помощью солнечных батарей, достоинства и недостатки данного источника энергии.

Все большую популярность приобретают солнечные батареи в связи со все большей их доступностью как в финансовом плане, так и на фоне расширения ассортимента в торговых сетях. Написано много статей, в которых приводятся технико-экономические обоснования внедрения гелиостанций (так называют системы генерации солнечной энергии). Правда, срок их окупаемости достигает нескольких лет.

Большой сегмент потребителей переходит к автономному электроснабжению не столько из-за желания сэкономить, сколько по причине обеспечения электропитанием в районах, где есть перебои с электроснабжением или такового нет вовсе.

Широко используется генерация солнечной энергии для дачных домиков в летнее время. Они характеризуются низкой мощностью потребления и сезонностью работы солнечных батарей. Более редкие случаи — полная электрификация дома альтернативными источниками. Но построение систем генерации солнечной энергии для разных условий эксплуатации принципиально одинаково. Итак, рассмотрим этот вопрос обстоятельно и по порядку.

Типы солнечных батарей

Иному обывателю и невдомек, что количество разновидностей солнечных батарей уже приближается к десятку. Чтобы как-то структурировать в сознании все многообразие светоприемников, разделим их на 2 класса:

Кремниевые солнечные батареи

Широко представлены на рынке монокристаллическими и поликристаллическими панелями. Также к этой группе отнесем аморфные кремниевые панели и гибридные солнечные ячейки. Как понятно из названия класса, изготавливаются эти светоприемники из кремния и кремневодорода. Распространение солнечных модулей на основе кремния обусловлено их высокой удельной энергоэффективностью, но достаточно сложный технологический процесс изготовления делает их недешевыми.

Монокристальные солнечные панели — это квадраты черного цвета со скошенными углами. На данный момент у таких панелей самый высокий КПД — до 22%. Все светочувствительные ячейки монокристаллической панели ориентированы в одном направлении, с одной стороны этим объясняется относительно высокий КПД, с другой стороны панель должна быть всегда обращена к солнцу для получения максимальной энергоотдачи. При рассеянном свете, например, в пасмурную погоду, на рассвете и закате, электрические параметры генерации электроэнергии совсем не впечатляют.

Другой тип солнечных панелей: поликристаллические — имеют более низкий КПД по сравнению с монокристаллами (порядка 12–18%), но благодаря разнонаправленности кристаллов кремния в панели достигается лучшая энергоэффективность в рассеянном свете. Поликристаллические панели можно узнать по правильной квадратной форме пластин темно-синего цвета с морозным рисунком.

Аморфные кремниевые панели (или, как их обозначают, а-Si) — самые низкопроизводительные в линейке кремниевых приемников солнечной энергии. Их КПД находится на отметке в 5–6%. Но их применение может быть оправдано. И вот почему:

• во-первых, степень поглощения светового потока у этих панелей в 20 раз выше, чем у других кремниевых конкурентов;
• во-вторых, хаотичная ориентированность светочувствительных ячеек повышает эффективность a-Si в пасмурную погоду.

Гибридные преобразователи светового потока — это объединение аморфного кремния с микрокристаллами. Такие панели схожи по свойствам с поликристаллическими элементами, с той лишь оговоркой, что их производительность в рассеянном свете гораздо выше. Также кроме ультрафиолетового спектра гибридные панели могут преобразовывать в электричество излучение инфракрасного диапазона.

Пленочные солнечные батареи

Достаточно новая разработка в сфере солнечных светоприемников. Нужно сказать, что в данный момент на российском рынке трудно встретить пленочные модули, что обусловлено их высокой стоимостью. Поэтому ограничимся перечислением их типов.

К пленочным отнесем элементы на основе теллурида кадмия (CdTe), диселенида меди-индия (CIS), диселенида меди-индия-галлия (CIGS) и полимерные. Полимерные панели — это наиболее перспективное направление развития пленочных технологий, так как производители обещают их низкую стоимость, правда и КПД всего 6%.

Прежде чем углубиться в описание солнечных панелей, несколько слов о её параметрах. На рисунке ниже приведена вольтамперная характеристика солнечной панели (красным цветом) и кривая изменения мощности (синим цветом). На графике обозначены точки, которые встречаются в технических характеристиках солнечных батарей.

Так, ток короткого замыкания — это ток, который возникает при замыкании цепи солнечной батареи (напряжение батареи при этом равно нулю). Напряжение холостого хода, наоборот, параметр разомкнутой цепи (ток при этом равен нулю). Эти два режима не являются рабочими. Номинальный рабочий режим показан желтой точкой на пересечении пунктирных линий. В этой точке максимальный рабочий ток и напряжение. Самое эффективное использование солнечной батареи соответствует этой рабочей точке.

На российском рынке в большинстве своем представлены моно- и поликристаллические панели в большом ассортименте. Как и следовало ожидать, большинство из них — китайского производства. Но ведь это и неудивительно: Китай — лидер в производстве и продаже систем генерации солнечной энергии. Кроме того, на рынке присутствуют немецкие (Calixo, SCHOTT) и японские (SHARP) солнечные батареи.

Российские же «производители» солнечных батарей — это фирмы, которые в большинстве своем продают китайскую продукцию, выдавая её за свою. Также широко развит сегмент производителей, занимающихся сборкой панелей из китайских комплектующих. Но не все так безнадежно. Россия может «похвастаться» и своими производителями солнечных панелей. В Новочебоксарске находится завод «Хевел», который специализируется на производстве тонкопленочных гибридных панелей. В Краснодаре на заводе «Сатурн» изготавливают солнечные батареи на основе арсенида галлия, продукция ориентирована, в основном, на космическую промышленность. Два завода, которые наиболее ориентированы на производство бытовых модулей, расположены в Зеленограде («Телеком-СТВ») и Рязани («Рязанский завод металлокерамических приборов», РЗМКП).

Ассортимент рязанских солнечных батарей ограничен двумя основными типами:

• RZMP-130-Т — имеет выходное напряжение 15,9–17,5 В, диапазон мощностей 105–145 Вт;
• RZMP-220-Т — имеет выходное напряжение 27,7– 29,1 В, диапазон мощностей 200–240 Вт.

«Телеком-СТВ» предлагает гораздо большее количество артикулов своей продукции: моно- и поликристаллические модули, монокристаллические модули с повышенной эффективностью, гибкие и специализированные солнечные батареи. Выходное напряжение модулей адаптировано как для низковольтных систем (17–18,5 В), так и высоковольтных (34–38 В). При этом цена этих солнечных батарей в полтора раза ниже рязанских. Например, рязанская RZMP-130-Т мощностью 120 Вт обойдется покупателю в 16100 рублей, а зеленоградскую ТСМ-120А мощностью 123 Вт можно приобрести за 9658 рублей. При этом вес и габариты зеленоградских панелей меньше рязанских. Единственное, что говорит в пользу рязанских солнечных батарей — это подробная информация об изделии.

Отдельно скажем несколько слов о заводе «Хевел», что в Новочебоксарске. Единственный завод в России, который начал изготавливать панели на основе аморфного кремния с вкраплениями микрокристаллов по микроморфной технологии. Учитывая, что на значительной части территории России большой процент пасмурных дней в году, панели «Хевел» имеют большой потенциал в борьбе за рынок с моно- и поликристаллами. В розничной продаже панелей «Хевел» пока нет, но, судя по оптовым ценам, потребителю придется выложить порядка 10000 рублей за 125-ти ваттную панель. Прямым конкурентом «Хевел» являются тонкопленочные гибридные панели тайваньского производителя Green Energy Technology. Тайваньские панели уже сейчас можно приобрести за 7000 рублей.

Сравнительная таблица российских, тайваньских и китайских солнечных батарей

В конечном итоге потребителю самому решать, какие панели ему выбрать. В качестве рекомендации хочется отметить, что для автономного электроснабжения дома можно порекомендовать поликристаллические модели солнечных батарей. Да, монокристаллические панели более эффективны, но не стоит забывать, что это довольно условно.

Максимальная мощность монокристаллических элементов будет достигнута лишь в солнечный день с использованием систем поворота светочувствительных элементов. Поэтому данные панели в большей степени подойдут жителям южной полосы России, где количество солнечных дней максимально. В остальных же регионах при проектировании систем автономного электроснабжения имеет смысл обратить свое внимание на сравнительно новые панели, произведенные по микроморфной технологии, которые способны преобразовывать в электричество не только солнечный ультрафиолет, но и инфракрасное излучение. Это их достоинство может с лихвой покрыть недостаток низкого КПД.

Замечу напоследок, что лично я отдал предпочтение поликристаллической панели, поскольку предназначена она для временного электроснабжения дачного домика в летний период. Отсюда следует, что планируемая нагрузка — небольшая, световой день продолжительный и солнечный. Поэтому поликристаллическая солнечная батарея в моем случае наиболее оптимальна.

Источник

Электроснабжение при помощи солнечных батарей: сборка системы своими руками

Статья рассматривает практическое применение солнечных батарей, подробно описывает необходимые для бесперебойного электроснабжения узлы, самостоятельное подключение и настройку солнечных батарей.

Оборудование системы электроснабжения: ассортимент, характеристики

В предыдущей статье мы рассмотрели виды солнечных батарей. Но в системах генерации солнечной энергии эти элементы являются лишь первичными преобразователями. Для создания полноценной домашней электростанции нам понадобится такой комплект оборудования:

• контроллер заряда аккумуляторной батареи
• аккумуляторная батарея (АКБ)
• инвертор напряжения

Контроллеры заряда АКБ бывают двух типов: ШИМ-контроллеры (PWM-контроллеры) и ОТММ-контроллеры (MPPT-контроллеры).

ШИМ-контроллер более простое и более дешевое устройство, управляющее зарядом АКБ. КПД ШИМ-контроллера обычно выше, чем у ОТММ-контроллера в силу того, что на начальном этапе зарядки он подключает аккумулятор практически напрямую к солнечной батарее без преобразования генерируемого напряжения. ОТММ-контроллеры рекомендуют использовать с модулями с нестандартным выходным напряжением от 28 В и выше.

Экономически оправданным использование ОТММ-контроллеров будет в системах генерации номинальной мощностью более 400 Вт. Еще одно основание для использования такого контроллера — проектирование солнечной станции для круглогодичной выработки электроэнергии. В пасмурные зимние дни при зарядке аккумуляторов ОТММ-контроллер проявит себя с лучшей стороны.

Аккумулятор в системе солнечного электроснабжения играет роль буфера, накапливающего электрическую энергию.

В отличие от всего остального оборудования гелиостанции аккумулятор является расходным элементом. Поэтому чем дольше он проработает без замены, тем меньше будет срок окупаемости приобретенных вами компонентов. Чтобы АКБ прослужила долго, нужно ответственно подойти к его выбору. Основные параметры АКБ, интересующие потенциального владельца, — это:

• напряжение (Вольт, В) — в продаже есть аккумуляторы для солнечных батарей на напряжение 12, 24 и 48 В. Для небольших домашних станций мощностью 200–300 Вт вполне подходят АКБ на 12 В;
• электрическая емкость (Ампер⋅час, А⋅ч) — характеризует количество электроэнергии, которую можно аккумулировать. Соответственно, чем больше этот параметр, тем больше электросистема может проработать в автономном режиме (в пасмурную погоду или в темное время суток);
• уровень саморазряда (% от номинальной емкости) — чем ниже этот параметр, тем лучше АКБ.

Инвертор напряжения предназначен для преобразования постоянного напряжения аккумулятора в переменное напряжение сети 220 В, питающей бытовую нагрузку.

На рынке есть большой ассортимент инверторов, обладающих разнообразными функциями. Среди самых важных параметров следует отметить следующие:

• мощность инвертора;
• напряжение первичной цепи (напряжение подключаемого аккумулятора);
• наличие встроенных защит (от перегрузки, от переполюсовки аккумулятора, от короткого замыкания в нагрузке, от чрезмерного разряда аккумулятора);
• синусоидальность выходного напряжения (принципиально, если в подключаемой нагрузке есть двигатели, например, стиральные машины, холодильники, циркуляционные насосы, вентиляторы и т. п.).

Следует также отметить, что избыточное количество функций приводит лишь к удорожанию прибора и усложнению его настройки и эксплуатации.

Схема подключения оборудования гелиостанции

Сборка схемы солнечной электростанции достаточно проста. Ниже будет приведена последовательность подключений, проиллюстрированная фотографиями. Для сборки простой системы используется солнечная панель с поликристаллическими элементами, контроллер заряда и аккумулятор. Сборку начинаем с подключения кабеля к солнечной батарее.

Для батарей, которые идут в комплекте с кабелем, этот шаг не требуется. К выходным клеммам контроллера подключаем АКБ. Далее провода, идущие от панели, необходимо присоединить к входным клеммам контроллера заряда.

Все присоединения производятся по принципу «+» к «+», а «-» к «-». На входные клеммы инвертора подаем питание от аккумулятора. После включения контроллера заряда и инвертора мы видим, что генерируемое солнечной панелью электричество начинает зарядку аккумулятора.

Для того чтобы определить полярность выводов солнечной батареи, достаточно замерить напряжение на клеммах с помощью мультиметра. Если возле показаний величины напряжения стоит знак «минус», то положение черного щупа соответствует плюсовой клемме (проверьте правильность подключения щупов перед измерением). Если знак «минус» отсутствует, то положение черного щупа соответствует отрицательной клемме батареи.

Монтаж солнечных панелей и вспомогательного электрооборудования

Монтаж электрооборудования гелиостанции производится медным проводом. Сечение медного провода для одной панели стоит выбирать не менее 2,5 мм². Это обусловлено тем, что нормальная плотность тока в медном проводнике 5 ампер на 1 мм². То есть при сечении 2,5 мм² допустимый ток будет составлять 12,5 А.

При этом ток короткого замыкания панели RZMP-130-T мощностью 145 Вт составляет всего 8,5 А. При объединении нескольких панелей с параллельным подключением сечение общего выходного кабеля должно подбираться исходя из максимального суммарного тока всех панелей по вышеописанной концепции (5 А на 1 мм²).

В продаже есть разнообразные кабели для подключения солнечных батарей. Их отличительная особенность в том, что внешняя изоляция кабеля подверглась специальной обработке и имеет повышенную стойкость к ультрафиолетовому излучению. Покупать такие кабели необязательно. Солнечные батареи можно подключить кабелем с обычной ПВХ-изоляцией, но проложить его в гофрированном рукаве, который предназначен для прокладки внешней проводки. Такой вариант обойдется на 30–40% дешевле.

Контроллер заряда АКБ и инвертор необходимо разместить в сухом помещении с комнатной температурой, например, в кладовке или прихожей. Размещать это оборудование вне помещения нецелесообразно, так как электронные узлы аппаратуры не должны подвергаться значительным колебаниям температуры и влажности. Саму аккумуляторную батарею можно разместить вместе с электроникой.

Если вы решили использовать кислотные или щелочные аккумуляторы, то следует их разместить в хорошо проветриваемом нежилом помещении, так как при их эксплуатации выделяются вредные для здоровья испарения электролита. Кроме того, в помещении с аккумуляторами не должно быть источников искровой и огневой опасности, так как выделяющиеся кислород и водород в плохо проветриваемых помещениях могут образовать взрывоопасную смесь.

Солнечная панель может устанавливаться двумя способами:

• неподвижная установка предполагает стационарное размещение панелей на крыше дома или на кронштейне, закрепленном на стене или фундаменте. При этом панели должны быть направлены на юг, горизонтальный наклон панелей должен составлять угол, равный широте местности плюс 15°. Широту вашего местоположения можно определить, например, по показаниям GPS-навигатора или в сервисе Google Maps;
• подвижная установка панелей производится на траверсу, которая способна поворачиваться азимутально (в направлении движения солнца вдоль горизонта) и зенитально, наклоняя панели для того, чтобы солнечные лучи падали на них перпендикулярно. Такая система установки позволяет увеличить КПД используемых солнечных батарей, но требует дополнительных ощутимых финансовых затрат на конструкцию траверсы, приводные двигатели и систему для их управления.

Пути повышения эффективности автономного электроснабжения

Для повышения эффективности солнечной электростанции можно идти двумя путями: увеличивать количество генерируемой электроэнергии с одной стороны и уменьшать её потребление с другой. Пути для увеличения генерируемой электроэнергии могут быть следующие:

• установка солнечных батарей на подвижную траверсу или на механизм управления зенитальным наклоном (полумера, но тоже достаточно эффективная, в основном для монокристаллических панелей);
• использование качественных аккумуляторов с малым процентом саморазряда и долгим сроком службы без значительного снижения емкости;
• регулярное техническое обслуживание системы: чистка панелей от пыли и снега, обслуживание разъемных и клеммных соединений с целью уменьшения контактных сопротивлений и, как следствие, потерь мощности.

Со стороны нагрузки энергоэффективность может быть увеличена следующим образом:

• выделение цепи низковольтного питания напрямую от аккумулятора, например, для подключения светодиодного освещения. Это позволит избежать двойного преобразования энергии в инверторе;
• отключение инвертора при отключении нагрузки на его выходе, так как инвертор, работающий вхолостую, все равно потребляет небольшое количество энергии;
• установка совместно с освещением датчиков движения с таймером, чтобы исключить досадное расходование электроэнергии из-за того, что просто забыли выключить лампу в прихожей.

Источник