Адрес этой статьи в Интернете: http://www.thg.ru/howto/solar_pc_i/
Солнечный ПК. Проект THG. Часть первая
Мы решили запитать настольный ПК, включая монитор, от солнечных батарей в режиме 24/7. В первой статье, посвящённой нашему проекту, мы сфокусируем внимание на основах, которые лежат в системе питания от солнечной энергии.
Затем мы перейдём к конфигурации ПК, включая комплектующие и конструкцию, и к массиву из двух модульных солнечных панелей. Для иллюстрации мы приложили фотографии и видео, где всё пошагово поясняется. Мы потратили немало времени и сил на этот проект, так что ждём отзывов от тех наших читателей, кто пожелает повторить этот подвиг! Оставляйте отзывы в нашем Клубе экспертов по ссылке ниже.
Солнечный ПК: превращаем солнечный свет в вычислительную мощность
Даже серьёзные компьютерные энтузиасты понимают, что высокопроизводительный ПК стоит серьёзных денег. Впрочем, следует учитывать не только стоимость комплектующих, но и цену энергии, которую такая система потребляет из розетки.
В России цены на электроэнергию заметно ниже мировых, но мощная система может «съесть» за год несколько тысяч рублей. Экологи постоянно поднимают вопросы энергопотребления, общественность массово переходит на новые экономичные лампочки, так что соответствовать общей тенденции тоже приятно. Действительно, почему бы не запитать компьютерного красавца от солнечных батарей?
Собственно, мы уже несколько лет носили в уме идею солнечного питания компьютера, которое обеспечило бы ему работу в режиме 24/7. В процессе реализации нашего проекта мы узнали немало нового и интересного, чем и поделимся с нашими читателями. Но позвольте начать с основ превращения солнечной энергии в электричество.
Основы фотогальванической технологии
Если переходить к солнечной энергии, то на первом месте встаёт вопрос энергопотребления, поэтому мы попытались продумать и собрать настольный ПК с разумной мощностью. В принципе, никто не мешает запитать от солнечных батарей обычный ноутбук, что потребует меньше усилий и времени. Но наша цель заключалась именно в питании обычного настольного ПК с разумной вычислительной производительностью, который подходит для повседневной работы и игр, с полноформатным дисплеем высокого разрешения и полноразмерной клавиатурой.
Мы использовали солнечные батареи из поликристаллического кремния. Нажмите на картинку для увеличения.
Начнём с самой плохой новости: полностью собранный солнечный ПК, который должен питаться от солнца, потребляет не менее 290 ватт. Это неудивительно, учитывая мощные комплектующие. Подобная система, включая солнечные батареи, обойдётся недёшево.
Но, в любом случае, мы рассматриваем данный проект как шаг в будущее. Наш эксперимент по питанию компьютера от солнечных батарей позволит пользователям взглянуть на вычисления под новым углом, и наглядно представить себе высокопроизводительный и прожорливый компьютер, который работает от солнечных батарей и стоит примерно $3 000.
Реализации нашего проекта солнечного ПК помогли другие проекты THG.ru, посвящённые энергосбережению компьютеров.
Система автоматического отслеживания положения солнца — ключ к успеху проекта. Нажмите на картинку для увеличения.
Наш проект построен на полностью изолированной системе солнечного питания, которая не подключена к электрической сети. Это имеет свои преимущества: не нужно добавлять какой-либо трансформатор, чтобы преобразовывать электричество, выдаваемое солнечными батареями, в стандартный формат 110-120 В/60 Гц. Можно просто подключить компьютер к солнечной батарее, используя стабилизаторы напряжения. Ночью или в облачный день будет использоваться резервный аккумулятор, который будет заряжаться в солнечные дни.
Даже в Мюнхене (он расположен примерно на широте Ростова), где мы проводили наш эксперимент, солнечных лучей для этого вполне достаточно, больше 80 процентов времени. Солнечные батареи позволяют работать на компьютере там, куда не дотянулась электрическая проводка. И, конечно, никто не закрывает потенциал для дальнейших оптимизаций и экспериментов. Кроме того, после начальных затрат эксплуатационные расходы весьма невелики.
Есть некоторые ситуации, когда единственным вариантом является питание от солнечных батарей (или генераторов). Будь это шале где-нибудь в горах, очередной слёт сисадминов под Калугой, или любое другое удалённое место.
Не следует, конечно, забывать и о расходах на заземление и подключение, что усложняет задачу.
Некоторые наверняка поспорят, что дизельный или бензиновый генератор будет лучше, поскольку стоит это удовольствие от нескольких сотен долларов. Да, конечно, генератор — более простое и дешёвое решение для питания компьютера, но не каждый согласится мириться с шумом и выхлопами, которые производит такая система, помимо электроэнергии.
Специальный аккумулятор для использования с солнечными батареями: ёмкость 130 А-ч. Нажмите на картинку для увеличения.
Точные измерения. Прибор Voltech PM 3000A позволил точно измерить, сколько энергии дают солнечные батареи. Нажмите на картинку для увеличения.
Потенциал солнечных батарей огромен. Например, писатель или учёный смогут работать в тишине и в покое далеко от цивилизации, без каких-либо контактов с внешним миром. Подобная система позволяет обрабатывать фотографии и видео, а также и заряжать аккумуляторы фотоаппарата/камеры при отсутствии электрической сети. Да и не забывайте, что для многих компаний компьютер, питающийся полностью от энергии солнца, станет политическим и имиджевым решением.
Нам потребовались толстые медные кабели. Нажмите на картинку для увеличения.
Крепления для аккумулятора напоминают автомобильные. Нажмите на картинку для увеличения.
Мюнхен: 1 800 солнечных часов в год
Летом в безоблачный день в Мюнхене солнце даёт примерно 1 100 Вт энергии на квадратный метр. В плохую погоду количество солнечной энергии снижается примерно до 100 Вт на м². Теоретический максимальный КПД для преобразования солнечной энергии в электрическую составляет около 85 процентов, но из-за смены дня и ночи, разных факторов и угла расположения солнца среднесуточный КПД на практике составляет около 29 процентов.
Получаемая от солнца энергия зависит от угла, под которым солнечные лучи попадают на плоскость солнечной батареи. Кроме того, осевое смещение Земли означает, что этот угол меняется в зависимости от времени года. Зимой солнечной энергии попадает намного меньше, поскольку и день короче, и солнце встаёт над горизонтом не на такой большой угол.
Количество солнечной энергии на квадратный метр в кВт-ч на день.
В Мюнхене солнечные батареи дают максимум энергии при угле наклона 28 градусов и ориентации прямо на юг. Как показали наши эксперименты, даже небольшие ошибки в ориентации и угле наклона существенно снижают объём вырабатываемой энергии.
Если не регулировать солнечные батареи ежедневно, чтобы они соответствовали траектории движения солнца по небосклону, уровень вырабатываемой энергии существенно падает. Мы приведём точные инструкции по расположению солнечных батарей во второй и третьей частях данной статьи.
Если вы планируете развернуть солнечные батареи на крыше, то фиксированное расположение часто бывает единственно возможным вариантом. Если ваша крыша, например, «смотрит» на юго-восток или юго-запад и имеет наклон 45 градусов, вам придётся установить больший по площади массив солнечных батарей, чтобы вы получили такую же энергию, как у батарей, чья плоскость наклонена под 28 градусов и «смотрит» на юг. Впрочем, если уж оборудовать крышу, то можно использовать практически всю доступную поверхность, что показано на следующей иллюстрации.
Оптимальная выработка энергии получается, если плоскость батарей наклонена под углом 28 градусов и направлена на юг.
Возможные подходы для монтажа солнечных батарей.
У солнечных панелей есть заметные различия, если использовать их в северной, центральной или южной России, что вполне очевидно. Чем ближе ваша широта расположена к экватору, тем больше будет солнечная энергия. Собственно, это и объясняет, почему южные регионы более активно используют солнечную энергию.
Так, например, немецкий Мюнхен получает примерно 1 800 часов солнечного света в год. Несмотря на меняющиеся погодные условия, в июле число солнечных часов достигает 260, что даёт немало энергии, если солнечные батареи расположены под правильным углом и имеют правильную направленность. Если вы хотите получить оптимальные результаты для питания компьютера (и другого оборудования) от солнечной энергии, то мы рекомендуем следующее.
Используйте место, максимально свободное от затенения (крыша или поверхность земли, где не бывает тени);
можно установить батареи на крыше, если она ориентирована с востока на запад, но наилучший выход энергии получается, если крыша направлена на юг под углом от 20 до 40 градусов;
следует выбрать такую площадь панелей, чтобы её хватило для питания настольного ПК;
необходима хорошая вентиляция или охлаждение солнечных панелей (повышает КПД);
максимальная выработка энергии достигается, если солнечные батареи будут ориентированы точно по солнцу.
В летнее время выработка солнечной энергии максимальная.
Южное преимущество: количество солнечных часов в июне 2007 года.
Типы солнечных батарей: до 25% КПД
Нажмите на картинку для увеличения.
Каждая солнечная батарея состоит из 36, 72 или даже 96 отдельных солнечных элементов. Ещё совсем недавно размер каждой ячейки составлял почти 125 квадратных миллиметров. Наиболее распространённые солнечные элементы изготавливались из толстоплёночного кремния, чей КПД составляет до 20 процентов для поликристаллических элементов и до 25 процентов для монокристаллических.
Относительно краткая история выработки солнечной энергии повидала много разных типов ячеек, которые влияют на конструкцию батарей и на эффективность преобразования солнечной энергии в электричество.
Для промышленного и домашнего использования чаще всего применяются ячейки из поликристаллического или монокристаллического кремния. У поликристаллического кремния меньше КПД, но и стоят они дешевле. На фотографии выше приведено сравнение площадей батарей на разных элементах, которые необходимы для выработки 1 000 Вт энергии.
Солнечные батареи из аморфного кремния монтировать можно только для того, чтобы повеселиться — КПД слишком низкий. Тонкоплёночные технологии, известные как CIS (Copper Indium Diselenide) и Cadmium-Tulluride (CdTe), сегодня составляют всего 2 процента рынка. Но солнечные батареи на упомянутых технологиях дают существенные преимущества по сравнению с кристаллическим кремнием.
Первое и главное — они примерно в 100 раз тоньше, чем кристаллические батареи, то есть и упаковку можно делать тоньше. Кроме того, тонкоплёночные солнечные батареи могут принимать рассеянный и слабый солнечный свет (когда солнце, скажем, скрыто за облаками) намного более эффективно, чем кристаллические батареи.
Тонкоплёночные батареи намного терпимее относятся к затенению. Ещё одно преимущество касается лучшей терпимости к высоким рабочим температурам, которые характерны для работы под ярким солнцем. Но у тонкоплёночных батарей есть и свои недостатки: чтобы получить такой же уровень энергии, как у толстоплёночных батарей, требуется большая площадь поверхности.
На иллюстрации показаны разные типы солнечных элементов, от толстоплёночных из монокристаллического и поликристаллического кремния до тонкоплёночных.
КПД толстоплёночных солнечных батарей;
монокристаллический кремний — 25%;
поликристаллический кремний — 20%;
КПД тонкоплёночных солнечных батарей;
аморфный кремний — 10%;
CdTe — 16%;
CIS/CIGS — 20%;
нанокристаллический Si — 10%;
микро-/поликристаллический Si — 10%;
полимерный Si — 5%.
На практике элементы соединяются в батареи, чтобы суммарное напряжение было достаточное — не 0,6 В (стандартное напряжение, вырабатываемое одним элементом), а приемлемого уровня. Промышленные батареи собираются из отдельных элементов, которые соединяются проводами, после чего размещаются между стеклянными пластинами и полимерными плёнками для защиты. Тонкоплёночные элементы можно купить уже в готовых массивах, иногда даже в готовых механизированных корпусах, обеспечивающих автоматическое позиционирование батареи.
На иллюстрации приведена площадь батареи каждого типа, необходимая для выработки 1 000 Вт энергии.
Для тонкоплёночных элементов используются такие же механизированные корпуса. Ячейки производятся из кремниевых подложек, наподобие процессоров и графических чипов.
Производители солнечных батарей
Из-за политики, проводимой правительством, Германия является мировым лидером по внедрению и инвестициям в технологии солнечной энергии. Даже если оценивать по объёму производимой солнечной энергии (прогноз на 2010 год), Германия занимает первое место — 36%, за ней следует США (15%) и Испания (8%).
Сегодня в Германии от солнца производится более 1 000 мегаватт (1 гигаватт) энергии (в Великобритании, например, производится всего около 10 мегаватт, по России у нас нет данных). Мы приведём ещё один график, который показывает, насколько мизерна доля солнечной энергии по сравнению с другими видами производимой энергии в мировых масштабах.
Солнечная энергия показана жёлтым.
Производителей солнечных батарей в мире можно пересчитать по пальцам, причём большая их часть занимается тем, что упаковывает солнечные элементы в батареи. Ниже приведён список семи крупнейших производителей солнечных элементов.
Sharp 28%;
Q-Cells 11%;
Kyocera 9%;
Sanyo 8%;
Mitsubishi 7%;
RWE Schott Solar 6%;
BP Solar 5%;
В Германии также установлен самая крупный фотогальванический комплекс в мире — на винодельне Erlasse в Франкене (Бавария). Комплекс состоит из 1 480 солнечных батарей, которые генерируют 12 мегаватт энергии и снабжают город населением 8 500 жителей. Ниже приведён список самых крупных солнечных электростанций в Германии.
Большая солнечная электростанция: солнечные батареи на крыше завода. Нажмите на картинку для увеличения.
Будущее: солнечные панели на крышах домов.
Полная интеграция солнечной панели в крышу.
Заключение: генерируем солнечную энергию
Нажмите на картинку для увеличения.
Лаборатория THG.ru начала работу над установкой экспериментальной солнечной батареи год назад — в конце сентября 2006 года. Сейчас же мы начали второй проект — попытались полностью запитать от солнечных батарей обычный настольный ПК.
В частности, нам потребовалось собрать тестовый ПК, используя наиболее экономичные комплектующие. Теперь, после завершения нашего проекта, мы решили выпустить цикл статей, который можно считать руководством для сборки собственного солнечного ПК. Как мы полагаем, некоторые читатели последуют нашему примеру и соберут собственные системы. Мы же получили высокопроизводительный настольный ПК, который работал в режиме 24/7 от двух компактных солнечных панелей.
Кабель, который мы использовали для питания ПК от солнечных панелей, имеет площадь сечения 16 мм². Нажмите на картинку для увеличения.
Мы использовали солнечные батареи из поликристаллического кремния, которые обеспечивали до 290 Вт энергии для нашего проекта. В следующих частях статьи мы приведём дополнительные детали и пошаговые инструкции. Расположение нашей тестовой лаборатории в Мюнхене, а также возможность оптимальной ориентации солнечных панелей на крыше, позволило нам получить достаточное количество энергии. Мы добавили аккумуляторы в нашу конфигурацию, чтобы не зависеть от сети электрического снабжения даже в облачные и дождливые дни.
