Как сохранить солнечную энергию панелей

Как сохранить солнечную энергию? Часть 1

Разведанных запасов энерготоплива при современном темпе роста потребления энергии должно хватить примерно от 70 до 130 лет. Но имеется вариант перехода на другие источники, такие как солнечная энергия. Но, даже если на Земном шаре будут открыты неисчерпаемые ресурсы энергосырья, экологической беды не получится избежать. Через 100 лет на Земле будет столько вырабатываться энергии, что может произойти экологическая катастрофа. Это приведет к таянию полярных льдов, из-за чего очень сильно увеличится уровень Мирового океана. В этом случае, странам и городам, которые находятся на побережье океана, солнечная энергия просто-напросто не понадобится, их смоет или затопит.

Именно поэтому нужно начать пользоваться солнечной энергией, которая совершенно не зависит от того, пользуется или не пользуется ею человек. Солнечная энергия нагревает атмосферу земного шара. Для того чтобы по максимуму использовалась ее, ее необходимо превратить в какой-нибудь другой вид. Сохранить световые лучи еще абсолютно ни у кого не получалось. Самым распространенным и перспективным способом преобразования света является фотоэлектрический. Фотоны свою энергию передают электронам в полупроводниках, и благодаря этому появляется электрический ток.

Как все это происходит можно подробно прочитать в учебнике по физике. Мы это коротко поясним. Запрещенные энергозоны в отдельных полупроводниках по ширине равны размеру энергии кванта света. Что такое запрещенная зона? Если говорить коротко, то это так называемый потенциальный барьер, который нужно пройти электрону при прыжке с одного на другой атом в кристаллической решетке. После того как поглотится фотон, электрон становится подвижным, а значит, возникает электрический ток. Электрический ток — это направленное движение электрозарядов.

Но вот незадача, фотоиндуцированные электроны могут двигаться в обе стороны. ЭДС различных знаков могут компенсировать друг друга. При таком раскладе тока не будет.

Если же совместить 2 полупроводника (часто пользуются кремнием), легированных различными примесями (первая, в силу несовместимых валентностей, привносит в начальное вещество нескомпенсированные электроны – это получается полупроводник типа- n, а вторая, чья валентность немного меньше, приводит к образованию дырок, носителей «+» зарядов — получается полупроводник типа -р), на границе полупроводников создается n-р-переход.

Еще совсем недавно фотоэлектроэнергия стоила весьма дорого. До 1982 г. в нашем государстве фотоэлементы производились для космических целей. В наше время появилось опытное изготовление дисковых солнечных элементов для хозяйственных целей. Солнечная энергия уменьшилась в цене в 3-4 раза. Но, при любых раскладах, 7-10 рублей за 1 Ватт — это очень дорого. В данное время идет поиск способов, при которых бы солнечная энергия стоила немного дешевле и была доступна для всеобщего пользования. Имеется одна интересная разработка нашего ученого А. Степанова. Он выдвинул неплохое суждение не выращивать высококачественный кремний в виде больших слитков, которые потом нужно пилить на круглые пластинки, а те, потом тщательно полировать, при этом затрачивая большое количество энергии и впустую расходуя материал. Он предложил вытягивать весьма тоненькими ленточками из расплава. При этом варианте уменьшается стоимость фотоэлементов и возрастает эффект от солнечных батарей, так как можно ленты смыкать очень плотно, а между дисковыми элементами остается неиспользованная пространство.

Солнечная энергия — это камень преткновения для всех ученых, так как КПД кремниевых элементов очень маленький. Так как лишь маленькая часть этой энергии в полупроводниках поглощается электронами, большая часть падающего излучения идет для нагрева фотоэлемента (это снижает его фотоэлектрические характеристики), часть их отражается, а какая-то пробивает его насквозь.

Напомним, в полупроводнике запрещенная полоса очень узкая, а соответственно и небольшое «энергетическое меню» электронов. Также, большие потери энергии связаны с рекомбинацией дырок и электронов.

В итоге коэффициент полезного действия солнечных элементов не будет превышать 10%. Но уже имеются опытные образцы, которые были получены в лабораториях А. Зайцевой, М. Кагана, КПД которых равняются 15-17%. И это еще не максимальный предел. Экспертами было рассчитано, что предел КПД солнечных элементов с n-р-переходом может достигать 27-30%.

В особенности перспективными являются полупроводниковые преобразователи с гетера-переходами. Они сделаны из 2-х разных по химсоставу полупроводников. Именно поэтому они отличаются шириной запрещенных зон, она у них разная. В так называемой области n-р-перехода появляется, за счет сглаживания потенциальных барьеров, добавочная фото ЭДС. Ученые, работающие под наставлением академика Ж. Алферова, получили на фотодиодах с гетеропереходом «арсенид галлия — арсенид алюминия», КПД примерно равно 20%.

Примечательно, что нагреваясь, данные фотодиоды не теряют фотоэлектрические свойства. Они хорошо работают, даже если уплотнить поток солнечной энергии в 1600 раз.

Оказалось, что появилась возможность сделать фотопреобразующее устройство, которое будет утилизировать весь свет, падающий на него. Он обладает варизонной структурой, другими словами запрещенная зона у него переменной ширины. Добиться этого можно путем введения в различные зоны полупроводника разные примеси. В этом случае добавочная фото-ЭДС генерируется в целой пространственной зоне, для различных точек которой — различные запрещенные зоны. В такой зоне для абсолютно любого кванта отыщется укромное местечко, где он без помех поглотится электроном.

Теория вариозиных структур в России разрабатывается группой ученых, и благодаря этому, фотопреобразователи будут иметь коэффициент полезного действия 90%.

Также, в наше время высоких технологий идет поиск новых и более дешевых материалов, из которых буду производиться фотоэлементы. Очень перспективны, по мнению многих ученых, полупроводниковые соединения серы, кадмия, меди. Преобразователи, которые получаются на их основе, самые дешевые, ну вот опять же беда — КПД у них где-то 5%, и материалы не очень стабильны, под воздействием окружающей среды разрушаются. Сложная и дорогая герметизация сводит на нет ранее полученную экономию.

В следующей части этого повествования мы вам расскажем о накопителях энергии, какие виды их существуют и как они работают.

Источник

«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

Солнечные панели для частного дома: поставь светло себе на службу

Использовать в частных домах и даже дачных домиках альтернативные источники энергии сегодня стало модной тенденцией. Впрочем, это достаточно практично и, как правило, выгодно. Первенство среди таких устройств получили солнечные панели для частного ома (солнечные батареи, солнечные электростанции). Связано это с ежегодным ростом (весьма солидным) производства, снижением цен, многочисленными наработками, упрощающими подбор оборудования и построение систем.

Что это?

Основу любой системы составляют солнечные панели. Они выполняют роль основного источника энергии и, зачастую, становятся наиболее дорогой составляющей.

От их взвешенного выбора зависит:

• производительность домашней электростанции;
• объемы и стоимость работ по монтажу и обслуживанию;
• цена покупки;
• характеристики остальных звеньев.

Критерии выбора

Единственным критерием при проектировании домашней электростанции и выборе оборудования для нее должна стать целесообразность.

Однако понятие это широкое, для его понимания потребуется учет многих факторов:

• Средней и максимальной потребляемой мощности.
• Производительности солнечных модулей.
• Наличия стационарной электросети и режима совместной с ней работы.

• Географического положения местности и климатических условий.
• Финансовых возможностей владельца дома.

Структура домашней солнечной электростанции

Определяется двумя основными положениями:

1. Целью создания и использования.
2. Работой совместно со стационарными электросетями.

Соответственно, рассматривать можно 3 варианта организации солнечного электроснабжения дома:

1. Зависимый от электросети.
2. Полуавтономный с резервированием.
3. Полностью автономный.

Зависимый от сети вариант (электростанция, ведомая сетью)

Такая электростанция строится по простейшей схеме. В ее состав входят:

• Солнечные панели в качестве альтернативного источника энергии.
• Инвертор, преобразующий постоянное напряжение на выходе фотоэлементов в переменное напряжение для потребителей.

Гелиобатареи подключаются на вход инвертора. Его выход соединен с сетью (после счетчика). Основная особенность схемы – отсутствие промежуточных накопителей энергии (аккумуляторов) и устройства для их заряда.

При такой структуре приборы в доме потребляют электроэнергию от солнечных элементов через инвертор. Недостаток мощности восполняется сетью, и, наоборот, ее избыток (например, когда батареи работают в номинальном режиме, а потребители выключены), сбрасывается в сеть.

Достоинства такой схемы:

• Минимальная стоимость по сравнению с другими вариантами.

• Простота настройки и регулировки.

Есть у нее и серьезный недостаток – при отсутствии сетевого напряжения (во время отключения электроэнергии) система не работает.

Автономная схема

В этой системе отсутствует сеть, а электроснабжение дом полностью производится от солнечных батарей.

Такой функционал диктует схему построения:

• Источник энергии – солнечные панели.
• Накопитель (аккумулятор) – берет на себя питание потребителей, когда батареи не вырабатывают электроэнергию (например, в ночное время).
• Контроллер заряда аккумуляторов – устройств, управляющее зарядом накопителей и потребление энергии от фотопанелей.
• Инвертор, как и в предыдущем варианте, преобразующий постоянное напряжение в переменное.

Система работает следующим образом:

• При наличии освещения солнечные батареи вырабатывают энергию.
• Она поступает на вход контроллера, преобразующий ее параметры в нужные для заряда батарей. Аккумуляторы подключены к его выходу.
• К выходу контроллера и зажимам АКБ подключаются входные цепи инвертора. Он преобразует напряжение и подает питание в сеть дома (не путать с централизованной).

Таким образом, при включенных электроприборах они получают энергию непосредственно с солнечных панелей (через контроллер и инвертор), когда светит Солнце. Одновременно, если есть избыток мощности, заряжаются аккумуляторы. Когда солнечный источник не работает, АКБ отдают накопленную энергию (через инвертор) потребителям.

Однако за красивой картинкой обязательно скрываются «подводные камни»:

• Стоимость электростанции выходит весьма значительной.
• Если по каким-либо причинам наблюдается длительный перерыв в работе панелей (поверхность покрыта снегом в зимнее время, дождевые тучи на неделю закрыли Солнце и т.д.), запасенной в аккумуляторах энергии не хватит для работы потребителей.

Решить проблему поможет резервный источник электроэнергии. В вариантах полностью автономных систем его роль может выполнять ветро- или гидро-, дизельный или бензиновый генератор. При наличии сетевого ввода резервным источником выступит стационарная электросеть, а система превратиться в полуавтономную.

Полуавтономная (гибридная) система

Схема такой электростанции практически полностью повторяет предыдущую за единственным исключением – для заряда накопителей используется энергия не только от солнечных панелей, но и от сети. В этом случае контроллер, кроме управления зарядными процессами, получает дополнительную функцию.

В настройках контроллера можно задать приоритет источников:

• При выборе солнечных батарей работающие электроприборы будут, по возможности, запитаны от них, а от сети будут потребляться недостающая мощность и подзаряжаться аккумуляторы.
• При выборе сети до пороговой мощности будет работать стационарный источник, а дополнительную энергию обеспечат гелиопанели.

Монокристаллические

Такие батареи визуально выглядят как панели с сегментами глубокого черного цвета. Получили название за счет конструкции на основе монокристаллов кремния.

Самый существенный недостаток — строгая ориентировка оптических осей кристаллов, что требует точного позиционирования панелей для получения максимальной отдачи. По этой же причине монокристаллы не терпят затенения – генерация энергии значительно снижается.

В настоящий момент обладают самым высоким КПД преобразования – около 22%. При этом стоимость тоже наиболее высокая – порядка 0.9-1.1 доллара за 1 Вт генерируемой мощности.

Поликристаллические модули

Название такие батареи получили за счет размещения на подложке множества кремниевых кристаллов с хаотически ориентированными оптическими осями. Визуально такие модули отличаются синим цветом с «морозным» рисунком.

Естественно, такое расположение кристаллов вызвало потерю КПД преобразования – он находится на уроне 11-16%. Однако это же позволило увеличить эффективность работы при рассеянном свете, что в результате привело к созданию панелей, которые успешно конкурируют с монокристаллическими (при прочих равных, например, размерах) по мощности генерации. Более того, по цене они значительно выигрывают и обходятся в 0.7-0.9 доллара за 1 Вт.

Аморфные

Технология изготовления рабочего тела сходна с поликристаллическими, но в качестве основы выступает аморфный кремний (aSi). При КПД в пределах 8-11% отличаются высокой эффективностью работы в рассеянном свете, могут захватывать и инфракрасный диапазон. В результате обладают лучшей стоимостью – порядка 0.5-0.7 доллара за 1 Вт.

Кроме того, имеют солидное преимущество – гибкую основу. Это означает, что для монтажа не требуется жестких конструкций, материал легко клеится на поверхности любой формы.

Остальные

Модули, предлагаемые производителями, могут быть изготовлены и по другим технологиям:

• Микроморфные, отличаются высокой отдачей при рассеянном и инфракрасном излучении.
• Гибридные, использует несколько полупроводниковых материалов и обеспечивают высокий КПД преобразования (до 44%).
• Полимерные, гибкие с подложкой из полимерных материалов, абсолютные лидеры по стоимости.

Такие предложения следует тщательно изучать, некоторые из них могут оказаться намного выгоднее, чем лидирующие на рынке панели, выполненные по стандартным технологиям.

Вообще, монокристаллические панели можно рекомендовать для установки только жителям южных регионов. Остальным следует выбирать поликристаллы или панели по другим технологиям.

Мощность и количество

Определить, какое количество солнечных панелей необходимо, следует по средней и максимальной мощности потребления. Среднюю легко найти в счетах за электроэнергию – месячное потребление делится на количество дней в месяце. Максимальное находится суммированием мощностей всех имеющихся в доме электроприборов.

Кроме мощности потребителей необходимо учесть:

• Время работы солнечных батарей. Как правило, принимается равным 6 часам, соответственно, мощность генерации нужно кратно увеличить.
• Потери на преобразование при зарядке аккумуляторов и получении переменного напряжения на инверторе. С их учетом необходим запас по мощности не менее 30%.
• Пиковые токи. Например, при средней мощности стиральной машины 500 Вт при работе нагревателя может потребляться до 2 кВт. При пуске насосов или других двигателей, пусковые токи могут превосходить номинальные значения в 5-6 раз. Конечно, львиную долю примут на себя аккумуляторы, но запас модулей по току в 20-30% не помешает.
• Географию и погодные условия местности – коэффициент инсоляции. Найти его для зимнего и летнего времени можно в справочниках.

После расчета необходимой мощности генерации рассчитывается мощность, отдаваемая одной батареей:

Где:

• Кс – стандартный сезонный коэффициент, 0.5 для лета и 0.7 для зимы.
• Wn – мощность панели, заявленная производителем.
• Ki – коэффициент инсоляции, также берется для лета и зимы.

Рассчитанную необходимую мощность генерации делят на оба (летнее и зимнее) значения. Наибольшее из двух чисел будет минимальным количеством панелей, которые потребуются для электроснабжения дома.

Источник