От чего работают солнечные батареи для дома

Солнечные батареи принцип работы, подключение для частного дома

Одним из преимуществ загородного коттеджа и дачного домика является возможность их последующей модификации, включая полную или частичную модернизацию централизованной сети электроснабжения. Для этого широко используются автономные системы, работающие на альтернативных источниках энергии. И больше всего привлекает людей солнечная энергия. Технология, которая изначально разрабатывалась для нужд космической промышленности, доступна сегодня и в гражданском строительстве.

Эксперты в области мировой энергетики сходятся во мнении, что применение в быту стационарных электростанций, функционирующих на солнечных батареях, — самый «безболезненный» для экологии способ добычи природных ресурсов. Единственной проблемой, с которой сталкиваются владельцы частных домов, является выбор оптимальной конструкции и модели гелиосистемы с учетом экономической выгоды и прироста показателей КПД.

В этой статье мы затронем принцип действия солнечных панелей, рассмотрим популярные способы монтажа гелиоустановок и расскажем о важных аспектах эксплуатации оборудования, которые помогут определиться с выбором конфигурации электростанции для бытового использования.

Принцип работы «домашней» гелиосистемы

Рабочими элементами солнечной батареи для частного дома выступают фотоэлектрические пластины. Они поглощают инфракрасное излучение от солнца и генерируют бесплатные природные экоресурсы в постоянный электрический ток.

Чтобы фотопанели работали исправно и обеспечивали необходимую мощность, их соединяют между собой, чередуя параллельный и последовательный методы подключения. Постоянный электрический ток, в зависимости от конструкции, поступает на инвертор, где преобразуется в переменный ток 220 V, или временно «оседает» в аккумулирующих емкостях.

Второй вариант более практичный, так как накопление электроэнергии «на запас» позволяет:

• исключить резкие перепады напряжения в домашней сети;
• рационально использовать полученные ресурсы;
• автоматически или вручную регулировать интенсивность работы электростанции.

При правильном монтаже КПД современных гелиосистем держится на уровне 35–40%. Модульные солнечные батареи для дома демонстрируют максимальные показатели эффективности в южных регионах России, где хорошая погода стоит больше 200 дней в году.

При установке солнечных батарей для частного дома крайне важно учитывать не только район, но и географическую широту, поскольку ближе к полюсам излучение солнца менее интенсивно. Но даже в северных и восточных регионах использование альтернативной энергии позволит вам сэкономить на потреблении традиционно «домашних» ресурсов.

Варианты фотоэлектрических элементов

Как было сказано ранее, генерация электрического тока происходит в момент соприкосновения лучей солнца с поверхностью фотоэлементов. Воздействие инфракрасного излучения смещает электроны с их «родных» орбит, в результате чего создается направленное движение заряженных ионов. При грамотном монтаже одна солнечная панель площадью 10 кв. м способна вырабатывать порядка 1 кВт энергии. На мощность бытовых гелиосистем оказывают влияние характеристики фотоэлемента.

1) Монокристаллический кремний

Такие солнечные батареи для дома отличаются достаточно легким весом, компактными размерами, а также продолжительным сроком эксплуатации. Их очень удобно монтировать, вот только монокристаллические фотоэлементы требовательны к интенсивности солнечного излучения и направленности лучей. Даже небольшая облачность критична для солнечной батареи, поскольку практически всегда приводит к прекращению генерации электричества от солнца.

Толщина панелей колеблется в пределах 200–300 мкм, а КПД при хорошей погоде и правильном расположении конструкции держится на уровне 17–19%. Недостаток — высокая стоимость для частных домов.

2) Поликристаллический кремний

В среднем срок эксплуатации составляет 15-20 лет, КПД – 14%. По электрическим характеристикам поликристаллические фотоэлементы уступают монокристаллу.

Но благодаря тому, что кристаллы кремния направлены в разные стороны, пластины на солнечных батареях хорошо улавливают рассеянные световые пучки, а потому намного меньше «страдают» при отсутствии солнца.

3) Тонкопленочные панели

В данном случае используется светопоглощающая пленка, которая «впитывает» энергию солнца даже при пасмурной погоде. Вот только КПД у них держится на уровне 8–10%, но этот недостаток с лихвой компенсируется низкой стоимостью.

Тонкопленочные фотоэлементы можно установить в любом удобном месте кровли или стены здания. Они не притягивают пыль и даже работают при неблагоприятных условиях окружающей среды, но при малой интенсивности солнечного излучения КПД снижается на 15%. Недостаток — требуется большая площадь для монтажа.

Различают также фотоэлементы из аморфного кремния, которые представляют собой эконом-вариант для дачных домиков (КПД 7–8%), и панели из теллуида кадмия, изготовленные по пленочной технологии, — КПД в районе 9–11%.

Схемы подключения солнечных батарей

Выделяют несколько основных категорий фотоэлектрических систем энергоснабжения частного дома (ФСЭ), которые различаются между собой по техническим параметрам и функциональным характеристикам.

К первой группе относят полностью автономные (закрытые) системы, которые не интегрированы в централизованную сеть электроснабжения. Солнечные генераторы функционируют в собственном контуре, а бытовые приборы подключены напрямую. Показатели КПД возрастают после установки аккумуляторных батарей и контроллера заряда.

Вторую группу представляет система солнечных батарей открытого типа. По умолчанию аккумулирующие емкости в ней не предусмотрены. ФСЭ подключены к централизованной сети электроснабжения через инвертор. При допустимом значении потребляемой мощности работают только фотопанели, которые генерируют ток напрямую. Если нагрузка возрастает, потребление электричества производится из традиционных источников. Такие гелиосистемы стоят недорого, но и не отличаются высокой эффективностью.

К третьей категории относят комбинированные ФСЭ, которые обладают характеристиками гелиосистем открытого и закрытого типа. Такие конструкции отличаются высокой стоимостью, поскольку их работа связана с использованием аккумуляторных батарей повышенной емкости и сетевых многофункциональных преобразователей.

Обогрев дома при помощи солнечных панелей

Для автономного отопления частного дома стандартные гелиосистемы применяют в основном на юге России, где тепловая энергия является первоосновным источником электричества. Владельцам дачных домов и небольших коттеджей целесообразнее приобретать для нагрева воды бытовой коллектор.

Выбор конкретной схемы подключения напрямую зависит от условий эксплуатации оборудования и личных потребностей. Как показывает практика, использование солнечных батарей в зимний период дает возможность сэкономить на традиционных энергоносителях до 25% всех затрат, в зависимости от температуры окружающей среды.

Стандартный комплект оборудования

Чтобы обеспечить частный дом электроэнергией по «зеленым» тарифам, одних только солнечных панелей недостаточно. Базовая комплектация, помимо фотоэлементов, в обязательном порядке подразумевает применение вспомогательного оборудования:

• аккумулирующие емкости;
• сетевой инвертор;
• контроллер заряда АКБ.

Если вы решили самостоятельно сделать электростанцию, работающую от солнечных батарей, не выбирайте для накопления электроэнергии автомобильные аккумуляторы — их срок службы при интенсивной нагрузке составляет всего 2-3 года, поэтому такие «батарейки» придется регулярно менять.

Гелиосистемы на основе вакуумного коллектора или солнечного модуля для нагрева воды дополнительно комплектуются насосом для постоянной циркуляции теплоносителя, водяным котлом емкостью до 1000 л и электрическими тэнами.

Таким образом, солнечные энергоресурсы можно использовать для электроснабжения, горячего водоснабжения или отопления, включая систему «теплый пол». Чтобы подобрать наиболее подходящий вариант для автономного дома, надо предварительно рассчитать суммарную мощность потребления бытовых приборов, а также обязательно учесть уровень инсоляции, месторасположение и угол наклона фотопанелей, среднее количество солнечных дней в году.

Способы монтажа бытовых гелиоустановок

В установке солнечных батарей нет ничего сложного. Самое главное — грамотно разместить модули. При монтаже важно придерживаться определенного угла наклона, который должен соответствовать географической широте местности. В процессе установки нужно также соблюдать азимут. Для северо-восточных он составляет 180 градусов.

Зимой КПД электростанции с солнечными батареями может упасть до минимальных значений, поскольку обильные снегопады будут препятствовать попаданию лучей солнца на наружную поверхность фотоэлектрических элементов. Поэтому при монтаже важно учесть, что на крыше потребуется свободное место для очистки конструкции от налипшего снега и грязи. Впрочем, этих хлопот можно избежать, если зафиксировать солнечные панели на поверхности южной стены под углом 60–80 градусов. На практике для коттеджей применяют разные варианты расположения фотоэлектрических модулей:

1. кровля — дополнительно потребуется установка надежной опорной конструкции из металлопрофилей или направляющих рельс;
2. стены — в данном случае на фасад здания монтируется рамная система для удержания фотопанелей «на весу»;
3. приусадебная территория — альтернативный вариант расположения батарей, когда кровля дома сильно затенена или не рассчитана на дополнительную нагрузку.

Свободное размещение имеет множество преимуществ, но требует наличия достаточного пространства на приусадебном участке. Чтобы автоматизировать процесс наклона и движения фотоэлектрических панелей по ходу солнца, дополнительно рекомендуется использовать специальные шарнирные конструкции с электроприводом.

Окупаемость и срок эксплуатации

Применение солнечных батарей позволит сэкономить на освещении и отоплении, независимо от времени года. Самые большие показатели энгергоэффективности гелиосистемы демонстрируют в южных широтах, где количество солнечных дней преобладает. Это и неудивительно, так как обязательным условием высокопродуктивной работы электростанции является стабильное поступление инфракрасного излучения и видимого света на поверхность фотоэлектрических элементов.

По статистике, солнечные батареи для частного дома мощностью 4–5 кВт при постоянном использовании окупают себя за 8–10 лет, после чего работают впрок. При этом срок эксплуатации составляет в среднем 20-25 лет, а вот аккумуляторные батареи придется менять через каждые 5-6 лет. Многим такие сроки окупаемости покажутся большими, но в действительности оно того стоит, учитывая, что в скором времени ископаемых ресурсов на планете практически не останется, а стоимость одного киловатта электроэнергии возрастет в разы.

Источник

Как работают солнечные батареи: принцип, устройство, материалы

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Немного истории

Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века. Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций. Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.

Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной. Современные устройства напрямую преобразуют солнечные лучи в ток благодаря понятию фотоэлектрический эффект.

Современный принцип работы солнечной батареи был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы солнечной батареи на практике.

Принцип работы

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.

Устройство

Конструкция солнечной батареи очень проста.

Основу конструкции устройства составляют:

• корпус панели;
• блоки преобразования;
• аккумуляторы;
• дополнительные устройства.

Корпус выполняет исключительно функцию скрепления конструкции, не имея больше никакой практической пользы.

Основными элементами являются блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний. Можно сказать, что состоят солнечные батареи, устройство и принцип работы которых всегда одинаковый, из каркаса и двух тонких слоев кремния, который может быть нанесен на поверхность, как монокристаллическим, так и поликристаллическим методом.

От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность. Если кремний наносится монокристаллическим способом, то эффективность батареи будет максимально высокой, как и стоимость.

Если говорить о том, как работает солнечная батарея, то не нужно забывать об аккумуляторах. Как правило, используется два аккумулятора. Один является основным, второй — резервным. Основной накапливает электроэнергию, сразу же направляя ее в электрическую сеть. Второй накапливает избыточную электроэнергию, после чего направляет ее в сеть, когда напряжение падает.

Среди дополнительных устройств можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата.

Очень важными элементами солнечной назвать диоды. Данный элемент устанавливается на каждую четвертую часть блока преобразователей, защищая конструкцию от перегрева из-за избыточного напряжения. Если диоды не установлены, то есть большая вероятность, что после первого дождя система выйдет из строя.

Как подключается

Как было сказано раньше, устройство солнечной батареи достаточно сложное. Правильная схема солнечной батареи поможет добиться максимальной эффективности. Подключать блоки преобразователей необходимо при помощи параллельно-последовательного способа, что позволит получить оптимальную мощность и максимально эффективное напряжение в электрической сети.

Разновидности солнечных батарей

Существует несколько разновидностей фотоэлементов для солнечных батарей, которые отличаются между собой строением кристаллов кремния.

Выделяют три вида фотоэлементов:

• поликристаллические;
• монокристаллические;
• аморфные.

Первый вид панелей является более дешевым, но менее эффективным, поскольку, если кремний нанесен поликристаллическим способом, то электроны не могут двигаться прямолинейно.

Монокристаллические фотоэлементы отличаются максимальным КПД, который достигает 25 %. Стоимость таких батарей выше, но для получения 1 киловатта нужна существенно меньшая площадь фотоэлементов, чем при использовании поликристаллических панелей.

Из аморфного кремния изготавливают гибкие фотоэлементы, но их КПД самый низкий и составляет 4-6 %.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества солнечных батарей:

• солнечная энергия абсолютно бесплатная;
• позволяют получать экологически чистую электроэнергию;
• быстро окупаются;
• простая установка и принцип работы.

• большая стоимость;
• для удовлетворения потребностей небольшой семьи в электроэнергии нужна достаточно большая площадь фотоэлементов;
• эффективность существенно падает в облачную погоду.

Как добиться максимальной эффективности

При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час. В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.

Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.

Каждый день солнце светит в среднем по 9 часов, если брать среднегодовой показатель. За один день квадратный метр поверхности преобразователя способен выработать 1 киловатт электроэнергии. Если за сутки жильцами дома израсходуется приблизительно 20 киловатт электроэнергии, то минимальная площадь солнечных панелей должна составлять приблизительно 40 квадратных метров.

Однако, такой показатель потребления электроэнергии на практике встречается редко. Как правило, жильцы израсходуют до 10 кВТ в сутки.

Если говорить о том, работают ли солнечные батареи зимой, то стоит помнить, что в данную пору года сильно снижается длительность светового дня, но, если обеспечить систему мощными аккумуляторами, то получаемой за день энергии должно быть достаточно с учетом наличия резервного аккумулятора.

При подборе солнечной батареи очень важно обращать внимание на емкость аккумуляторов. Если нужны солнечные батареи работающие ночью, то емкость резервного аккумулятора играет ключевую роль. Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке.

Несмотря на тот факт, что стоимость установки солнечных батарей может превысить 1 миллион рублей, затраты окупятся уже в течении нескольких лет, поскольку энергия солнца абсолютно бесплатна.

Видео

Как устроена солнечная батарея, расскажет наше видео.

Источник