Энергоснабжение при помощи солнечных батарей

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.

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

Производитель	Наименование	Технология производства	Пиковое напряжение, В	Пиковый ток, А	Пиковая мощность, Вт	Габариты, мм	Ориентировочная цена на российском рынке, руб.
«Телеком-СТВ», Зеленоград	ТСМ-100А	поликристалл	17	5,6	96	1050х665х43	8429
РЗМП, Рязань	RZMP-130-T	поликристалл	15,9	6,65	105	1490х670х36	14600
«Хевел», Новочебоксарск	HEVEL P7	микроморфная	56,6	2,21	125	1300х1100х24	10000
Green Energy Technology, Тайвань	GET-115AT2	аморфный кремний	93,9	1,22	115	1300х1100х20*	7000
Chinaland Solar Energy, Китай	CNH100-36M	монокристалл	19,3	5,18	100	1200х540х30	6350

* — без алюминиевой рамки

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.

Влад Тараненко, рмнт.ру

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов

Источник

Солнечная энергия — огромный, неисчерпаемый и чистый ресурс

Солнечная выработка электроэнергии представляет собой чистую альтернативу электроэнергии из добываемого топлива, без загрязнения воздуха и воды, отсутствием глобального загрязнения окружающей среды и без каких-либо угроз для нашего общественного здравоохранения. Всего 18 солнечных дней на Земле содержит такое же количество энергии, какая хранится во всех запасах планеты угля, нефти и природного газа. За пределами атмосферы, солнечная энергия содержит около 1300 ватт на квадратный метр. После того, как она достигнет атмосферы, около одной трети этого света отражается обратно в космос, в то время как остальные продолжают следовать к поверхности Земли.

Усредненные по всей поверхности планеты, квадратный метр собирает 4,2 киловатт-часов энергии каждый день, или приблизительный энергетический эквивалент почти барреля нефти в год. Пустыни, с очень сухим воздухом и небольшим количеством облачности, могут получить более чем 6 киловатт-часов в день на квадратный метр в среднем в течение года.

Преобразование солнечной энергии в электричество

Фотоэлектрические (PV) панели и концентрация солнечной энергии (CSP) объектов захвата солнечного света могут превратить его в полезную электроэнергию. Крыши PV панели делают солнечную энергию жизнеспособной практически в каждой части Соединенных Штатов. В солнечных местах, таких как Лос-Анджелес или Феникс, система 5 киловатт производит в среднем 7000 до 8000 киловатт-часов в год, что примерно эквивалентно использованию электроэнергии типичного домохозяйства США.

В 2015 году почти 800 000 фотоэлектрических систем были установлены на крышах домов по всей территории Соединенных Штатов. Крупномасштабные PV проекты используют фотоэлектрические панели для преобразования солнечного света в электричество. Эти проекты часто имеют выходы в диапазоне сотен мегаватт, а это миллионы солнечных панелей, установленных на большой площади земли.

Как работают панели солнечных батарей

Солнечные фотоэлектрические (PV) панели на основе высокой, но удивительно простой технологии, которая преобразует солнечный свет непосредственно в электричество.

В 1839 году французский ученый Эдмонд Беккерель обнаружил, что некоторые материалы будут испускать искры электричества при ударе с солнечным светом. Исследователи обнаружили, что в ближайшее время это свойство, называемое фотоэлектрический эффект, может быть использовано; первая фотоэлектрическая (PV) ячейка изготовлена была из селена в конце 1800-х годов. В 1950 году ученые в Bell Labs пересматривали технологии и, используя кремний, произведенный в фотоэлементы, смогли преобразовать энергию солнечного света непосредственно в электричество.

Компоненты PV ячейки

Наиболее важными компонентами PV ячейки являются два слоя полупроводникового материала, обычно состоящего из кристаллов кремния. Сам по себе кристаллизирующийся кремний является не очень хорошим проводником электричества, поэтому в него намеренно добавляют примеси — процесс, называемый допинг-этап.

Нижний слой из фотоэлементов обычно состоит из легированного борома, который в связке с кремнием создает положительный заряд (p), в то время как верхний слой, легированный фосфором, взаимодействуя с кремнием — отрицательный заряд (n).

Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку и возвращаясь в n-слой.

беспилотные самолеты на солнечной энергии

Каждая ячейка генерирует очень мало энергии (несколько ватт), поэтому они сгруппированы в виде модулей или панелей. Панели затем либо используются как отдельные единицы или сгруппированы в более крупные массивы.

Переход к электрической системе с большим количеством солнечной энергии дает много преимуществ.

Стоимость солнечных батарей быстро уменьшается (в 1970 году -1кВт-ч электроэнергии, вырабатываемой с их помощью стоил 60 долларов, в 1980 году – 1доллар, сейчас -20-30 центов). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 25% в год, а ежегодный объем от продаваемых батарей превышает (по мощности) 40мВт. КПД солнечных батарей, достигавший в середине 70-х годов в лабораторных условиях 18%, составляет в настоящее время 28,5% для элементов из кристаллического кремния и 35% — из двухслойных пластин из арсенида галлия и антимода галлия. Разработаны многообещающие элементы из тонкопленочных (толщиной 1-2мкм) полупроводниковых материалов: хотя их КПД низок (не выше 16%), стоимость очень мала (не более 10% от стоимости современных солнечных батарей). В скором времени ученые предполагают, что стоимость 1кВт-ч будет равна 10 центам, что поставит солнечную энергетику на первые места в энергетической независимости многих стран.

Перовскит «удешевит» солнечную энергию

Еще в 2013 году новость разнеслась по просторам сети: минерал перовскит произведет революцию в солнечной энергетике. Применение вместо кремния перовскита позволит снизить стоимость производства электроэнергии при помощи солнечных батарей. Перовскит (титанат кальция) был обнаружен в начале 19 века в Уральских горах, назван в честь Л.А. Перовского (известного любителя минералов). Как компонент фотоэлемента начал использоваться в 2009 году.

Батареи покрываются инновационным недорогим фотоэлементом, основное достоинство которого в том, что он может конвертировать в энергию намного большее количество частей солнечного света. Перовскиты представляют собой кристаллическую структуру, которая позволяет с максимальной эффективностью впитывать солнечный свет. По предварительным оценкам использование батарей на основе перовскита может снизить стоимость киловатта энергии в семь раз.

«Главное преимущество новых фотоэлементов заключается не столько в эффективности, сколько в том, что материал чертовски дешев. Батареи на основе перовскита, в которых не используется кремний, могут сделать солнечную энергетику по-настоящему массовой».

Солнечная энергия для ЦОД

10 % всей производимой в мире электроэнергии потребляют серверные фермы. Так как энергоэффективные сети и возобновляемые источники энергии сейчас внедряются во всех отраслях, ЦОД не остались в стороне. Негативное влияние серверных ферм на окружающую среду давно уже на устах экологов. Поэтому владельцы дата-центров стремятся к снижению негативного воздействия своих ЦОД, прибегая к передовым энергосберегающим и «зеленым» технологиям выработки электроэнергии, сюда можно отнести фрикулинг, системы локальных генерирующих мощностей на базе возобновляемых источников энергии.

Как выход — солнечная электростанция рядом с серверной фермой, в тех странах, где это позволяют климатические условия. Она идеальна для серверных ферм, которые развернуты в тропиках или субтропиках. Ведь использование солнечных панелей на крыше ЦОД, кроме того что предоставит «зеленую энергию», так еще и поможет уменьшить тепловую нагрузку на здание, так как создаваемая ими тень минимизирует количество поглощаемого крышей тепла. Гелиоэлектростанция снизит общий негативный эффект дата-центра на экологию, и повысит надежность ЦОД расположенных в регионах, где наблюдаются перебои в работе центральной электросети.

крупная электростанция на базе возобновляемых источников энергии рядом с дата-центром Apple в городе Мейден, штат Северная Каролина (США)

Switch совместно с энергетической компанией Nevada Power начала сооружение рядом с Лас-Вегасом солнечной станции Switch Station мощностью 100 МВт. В американских СМИ компанию Switch называют «возмутителям спокойствия» на рынке коммерческих ЦОД, это один из крупнейших игроков, данной отрасли. Компания занимается сооружением и поддержкой datacenter facilities – зданий и и инженерной инфраструктуры без собственно вычислительной аппаратуры, ее основная модель взаимодействия с клиентами – colocation.

крупнейшая в мире гелиотермальная электростанция Айванпа мощностью 400 МВт

В 2015 году США и Япония начали разрабатывать новый механизм электроснабжения ЦОД за счет солнечной энергии. Проект предполагает исследование новых возможностей «… использования связки генерирующих мощностей на базе солнечной энергии и систем класса HVDC (высокое напряжение постоянного тока), применяемых для распределения генерируемой солнечными батареями электроэнергии на уровне ЦОД». Такое комбинирование HVDC и солнечных панелей даст возможность развернуть единую систему резервного электропитания на базе аккумуляторных батарей, при этом можно будет экономить на капитальных и эксплуатационных расходах.

Интересно

Немецкий архитектор Андре Броезель из компании Rawlemon создал солнечую батарею в форме движущего стеклянного шара. Он называет его генератором нового поколения, который будет ловить максимальное количество лучей, так как он оснащен системой отслеживания перемещения солнца и датчиками смены погоды, а это на 35 % эффективней в сравнении с стандартными солнечными батареями.

Японская энергетическая компания Shimizu Corporation в 2015 году обьявила о своем намерение построить крупную солнечную электростанцию на естественном спутнике нашей планеты — Луне. Электростанция в виде колец с солнечными батареями будет опоясывать Луну по примеру планеты Сатурн и передавать энергию на Землю. От такой солнечной станции Shimizu Corporation ожидает 13 тысяч тераватт энергии/ год. Еще не известна стоимость и дата начала такого космического строительства.

В институте прогрессивной архитектуры в Каталонии разработали солнечную панель, которая может функционировать на растениях, мхе и почве. Плюсом такой технологии является отказ от опасных токсичных материалов и тяжелых металлов в производстве солнечных панелей. Тут используются специальные бактерии в крохотных топливных ячейках, размещенных в земле под корнями растений. Бактерии нужны для выработки дешевой энергии в мини-батареях. Растения будут обеспечивать жизненный цикл бактерий, а вода служить в качестве подпитки для всей системы. Такая инновационная система может работать на территориях, где солнечного света не так уж и много, если заменить растения мхом, так как он может расти в тени.

Источник