Солнечные батареи условия использования

Солнечные батареи: повсеместно и для всех

Развитию солнечной энергетики уделяет внимание всё больше стран, всячески способствуя открытию новых мощных солнечных электростанций (СЭС). Их основу представляют панели, составленные из специальных фотоэлементов. Именно последние преобразуют энергию солнца в электричество. Кроме как в СЭС, солнечные батареи могут использоваться в самых разных областях

Как применяются солнечные батареи

Фотоэлементы удобны тем, что могут быть размещены на любой поверхности или встроены в различные устройства. Главное, чтобы на них попадало достаточное количество света.

Из этой части вы узнаете, как солнечная энергия используется в домах, для зарядки электроники, на улицах городов и в медицине.

Жилые помещения

Солнечные батареи для дома пользуются популярностью уже не первый год.

Для питания частного дома или дачи нужен следующий набор оборудования:

• солнечные панели;
• контроллер заряда;
• аккумулятор;
• инвертор.

На практике всё выглядит так:

1. Солнечный свет поглощается элементами панелей, которые в итоге выдают постоянный ток. Для нужд одного дома обычно нужно около 20 панелей. Их точное количество рассчитывается в зависимости от количества потребителей и уровня солнечного излучения в конкретном регионе.
2. Аккумуляторы накапливают поступающую энергию. Это позволяет обеспечивать стабильное питание для электроприборов в ночное время или во время облачной погоды.
3. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный, от которого работает большинство домашней техники.
4. Контроллер заряда играет одну из ключевых ролей в этой схеме – защищает аккумулятор от перезаряда или полной разрядки, а также обеспечивает подачу тока к инвертору или потребителям постоянного тока.

Читайте также: Изобретения Николы Теслы, изменившие мир. Во многом именно благодаря вкладу этого человека для передачи электричества используется переменный ток.

Сами панели обычно устанавливаются на крыше дома и/или на специальные опоры. Некоторые жители многоквартирных домов также умудряются использовать солнечную энергию.

Уже сегодня доступны варианты с выбором самых разнообразных текстур. То есть дополнительно солнечные батареи начинают выполнять декоративную функцию.

Интересный факт! Стандартная домашняя солнечная система в год экономит до 1200 кг углекислого газа.

Отдельное внимание заслуживает кровельный материал с интегрированными фотоэлементами. Речь идёт о черепице Solar Roof, разработанной компанией Tesla. Это современное и долговечное решение для дома.

Окупается установка солнечных батарей через 3-4 года. При этом в дальнейшем вы получаете источник бесплатного электричества, требующий минимального обслуживания.

Зарядные устройства и портативные источники питания

Особую популярность последнее время приобрели небольшие переносные блоки с фотоэлементами. Наиболее востребованы они среди любителей вылазок на природу. Так каждый может закупить необходимое количество небольших панелей и собрать свою переносную мини-электростанцию.

А так может выглядеть самодельная солнечная зарядка:

В походе от неё можно заряжать телефоны, фотоаппараты и прочую электронику. Можно зарядить и Power bank на случай, если понадобиться источник питания ночью или в пасмурную погоду. Кстати, сегодня и сами Павербанки оборудуются солнечными модулями.

Фотоэлементы встраиваются в самые разнообразные походные принадлежности. Например, на том же Алиэкспрессе без проблем можно отыскать рюкзак с солнечной панелью.

Или даже целую палатку.

Кстати, не забывайте использовать кэшбек, заказывая что-то в Интернете. Об этом у нас есть отдельная статья.

Заканчивая тему оригинальных источников энергии, стоит упомянуть такое интересное решение, как солнечная розетка. Она крепится на стекло, освещаемое солнечными лучами. Понятно, что для бесперебойного питания бытовой техники она не подходит, но для подзарядки гаджетов это отличный вариант.

Энергосбережение на улицах городов

Солнечные батареи повсеместно используются в обустройстве городов всего мира. Они питают фонари, светофоры, вывески, терминалы и многоженство других уличных объектов.

В некоторых странах часто можно увидеть уличные деревья с солнечными панелями, которые вырабатывают энергию для подзарядки смартфонов, раздачи Wi-Fi и освещения улиц.

Отельное внимание заслуживает интеграция фотоэлементов в дорожное покрытие. Примером тому проект Solar Roadways. Идея в том, чтобы постепенно заменить весь асфальт на специальные экопанели, которые будут не только перерабатывать солнечную энергию в электричество, но и выполнять ряд других задач:

• растапливание снега;
• «умная» дорожная разметка;
• подсветка в тёмное время суток;
• отвод и фильтрация дождевой воды;
• подсветка всех объектов на дороге: автомобили, люди, животные и пр.

• 
• 
• 

Пока проект на стадии разработки.

Другой пример – это SolaRoad – уже готовая велосипедная дорожка из солнечных панелей. Находится она в городе Кроммени (Нидерланды). Дорожка состоит из модулей 2,5 x 3,5 м, а общая её протяжённость – 90 м. Выработанная энергия используется для освещения улиц и поступает в городскую электросеть.

Медицина

Жители отдалённых регионов Африки нуждаются в качественном медицинском обслуживании и лекарствах. Оптимальным решением стали мобильные клиники, которые перемещаются от поселения к поселению с помощью верблюдов. Из-за особенностей рельефа другой транспорт здесь использовать нельзя.

Главной проблемой всегда была перевозка препаратов в условиях высокой температуры – без охлаждения они быстро приходят в негодность. Решением стало использование холодильников, которые питаются от солнечных батарей. Всё необходимое устанавливается на верблюда с помощью специальной бамбуковой рамы.

Другой интересный пример – это фотоэлементы, для вживления под кожу. Сегодня для замены батарей различных имплантатов, например, кардиостимулятора необходимо проводить вмешательство в организм. Если для питания использовать аккумуляторы, заряжающиеся от солнца, то регулярно менять батареи не придётся. Подкожная пластина в несколько раз тоньше волоса и имеет площадь 0,07 см 2 .

По итогу

Солнечные панели сегодня находят применение буквально везде. Несомненно, что на данном этапе не все перечисленные проекты эффективны и финансово оправданны. Но такие примеры доказывают, что будущее солнечной энергетики не так туманно, и рано или поздно человечество слезет с «нефтяной иглы» и перестанет отравлять атмосферу.

Обязательно ознакомьтесь со второй частью, где мы рассматриваем электромобили на солнечной энергии, возможность строительства космической солнечной электростанции и множество необычных решений с использование солнечных батарей.

Источник

Выгода от использования солнечных батареи в частном доме

Для создания системы автономного электроснабжения применяют солнечные батареи. Крупные инвестиции оправданы экономией денег при эксплуатации. Источник питания можно создать самостоятельно либо приобрести готовый комплект оборудования фабричного производства.

История происхождения

Повышают эффективность системы отопления энергией солнца — нагревают воду в змеевике из труб, подключенном к душу на даче. Генерацию пара обеспечивают комплектом зеркал, концентрирующих лучи на стенках бака.

Отмеченные приемы используют для решения бытовых и производственных задач. Такое оборудование выполняет полезную работу с потерями. Фотоэлемент может преобразовать энергию с лучшим КПД.

Фотоэффект при облучении электролитического раствора впервые обнаружил А. Беккерель в 1839 г. Следующий список отражает вклад других исследователей:

• Г. Герц (1887 г.) — открытие внешнего фотоэффекта;
• Томсон (1898 г.) — экспериментальное подтверждение возрастания силы тока при увеличении освещенности контрольной зоны;
• Ф. Леонард (1902 г.) — регистрация зависимости образованной энергии от частоты облучающего сигнала;
• А. Эйнштейн (1905 г.) — формулировка физических принципов явления.

Преобразование солнечной энергии в электрический ток выполняется без промежуточных этапов. Отсутствие теплоносителя определяет более высокую эффективность фотоэлектрической панели.

Общее понятие солнечной батареи

Автономный источник электропитания создают из нескольких фотоэлементов. Освещение рабочей области прямыми (рассеянными) солнечными лучами активирует систему генерации. Преобразователь эффективно (КПД>30%) вырабатывает постоянный электрический ток, который используют для питания подключенной техники.

Принцип работы

Типовой преобразователь — это p-n полупроводник. Солнечные лучи увеличивают энергетический потенциал электронов, которые при подключении проводника перемещаются от источника в сторону слоя p. Созданный электрический ток увеличивает заряд АКБ.

Устройство

Серийные панели собирают из кремниевых пластин. Фиксируют фотоэлементы силовым каркасом. Боковые накладки защищают оборудование от повреждений.

Диоды рабочего блока предотвращают чрезмерный нагрев преобразователей при увеличении напряжения.

• комплект фотоэлементов (источник питания);
• аккумуляторные батареи (АКБ), накапливающие энергию;
• контроллер — электронный блок, автоматически управляющий переключением рабочих цепей;
• инвертор — преобразователь постоянного тока в переменный (220V), который необходим для подключения стандартной техники.

Такой способ генерации электрической энергии применяют автономно или как вспомогательный источник питания.

Срок службы

Срок службы фотоэлектрических элементов определен:

• параметрами примененных материалов;
• климатическими условиями;
• типом монтажной системы.

По средним показателям деградация фотоэлементов составляет 0,5-0,7% за год. Такая скорость негативного процесса через 20 лет непрерывной эксплуатации снижает эффективность преобразования энергии. Уменьшение исходных показателей мощности составляет 10-15%. Срок службы АКБ — до 8-10 лет.

Коэффициент полезного действия

Этим параметром обозначают эффективность процесса фотоэлектрического преобразования. КПД кремниевых (Si) пластин составляет 18-25%. Лучшие показатели обеспечивают многослойные панели (GaInP, Ge, GaAs) — до 32%.

Пиковая нагрузка и среднесуточное потребление

Выбирают компоненты оборудования после оценки максимального потребления. Этот параметр зависит от вида нагрузки. Индуктивный характер сопротивления электромотора, например, увеличивает пусковой ток. Оптимизируют режим эксплуатации ограничением мощности. Исключают одновременное подключение к автономному источнику питания электрических плит и кондиционеров, другой техники с большим потреблением энергии. Чтобы вычислить емкость АКБ, рассматривают 24-часовой рабочий цикл оборудования.

Влияние факторов внешней среды на уровень производительности

Причины, уменьшающие КПД фотоэлектрического элемента:

• загрязненная поверхность;
• перегрев;
• затенение рабочей зоны;
• падение солнечных лучей под углом к оптимальному направлению.

Количество ясных дней определяет эффективность фотоэлемента. Однако жаркий климат усложняет поддержание температурного режима, установленного производителем.

Автоматизированный привод, перемещающий пластины рабочего блока перпендикулярно к источнику света — дорогое оборудование. Экономическим расчетом уточняют целесообразность таких инвестиций.

Области применения

Фотоэлектрическими батареями необходимой мощности оснащают:

• автомобили, самолеты, корабли, другие транспортные средства;
• метеорологические станции;
• туристические лагеря;
• рекламные щиты;
• охранные системы;
• вышки сотовой связи;
• осветительные приборы.

Автономный источник энергии устанавливают, если объект недвижимости расположен далеко от линии электропередачи. Для сравнительного анализа берут данные о стоимости прокладки инженерных сетей.

Схема работы

Количество вырабатываемой энергии определяют:

• условия освещенности;
• тип модулей.

Контроллер обеспечивает распределительные функции. Этот электронный блок поддерживает уровень заряда АКБ. Сложная модификация — автоматически подключает питание от стандартной сети либо автономный генератор.

Инвертор из постоянного тока формирует выходной переменный сигнал с амплитудой 220 V. Этот блок потребляет часть энергии на преобразование, поэтому учитывают потери мощности.

Аккумуляторная батарея — накопительный элемент системы. Фотоэлемент не используется ночью. АКБ обеспечивает непрерывность электропитания.

Разновидности солнечных панелей

Фотоэлектрический преобразователь создают по разным технологиям. Кроме эффективности источника автономного питания (КПД) учитывают:

• цену;
• скорость деградации;
• рекомендованные условия эксплуатации.

Некоторые фотоэлементы обеспечивают генерацию при неблагоприятных погодных условиях.

Кремниевые

Главное условие высокой эффективности преобразования энергии солнечного света — отсутствие примесей в кремнии. Технология производства рабочих элементов определяет параметры генерации.

Поликристаллические

Для изготовления фотоэлементов применяют высокотемпературную обработку исходного сырья. Расплавленный материал после остывания отличается неравномерным распределением цвета поверхности. Сравнительно низкий КПД фотоэлектрических преобразователей (до 16%) компенсирует способность генерации энергии при разных углах падения лучей. Мощность уменьшается, если облака создают тень. Однако сохраняется рабочее состояние фотоэлемента.

Монокристаллические

Пластины создают из цилиндрических заготовок, поэтому углы срезают. Упорядоченная направленность кристаллов увеличивает КПД источника автономного питания до 30%. Ускоренное старение уменьшает эффективность генерации до 25-30% за 25 лет эксплуатации оборудования.

Из аморфного кремния

Рабочий слой фотоэлемента наносят напылением. Применяют подложку из гибкого материала. Такие панели можно устанавливать на криволинейную основу. КПД — не более 11%.

Из редких металлов

Дороговизна исходного сырья увеличивает стоимость изделий. Самые эффективные пластины создают из арсенида галлия (индия), обеспечивают КПД ≤ 40%. Отдельные комбинации редких металлов сохраняют хорошие показатели фотоэлектрических преобразователей, если температура оборудования увеличивается до +150°C.

Категории качества

Применяют следующую классификацию солнечных батарей:

Один наименее мощный фотоэлемент в блоке создает условия для локального перегрева. Высокая температура увеличивает скорость деградации полупроводника. Блоки категории C или D отличаются большим количеством компонентов по сравнению с преобразователем категории A аналогичной мощности.

Действующими нормативами установлены размеры сторон пластин 125 или 154 мм. Уменьшение параметра косвенно свидетельствует об изготовлении фотоэлемента из производственных отходов.

Стандартные наборы

Чтобы создать автономный источник питания, покупают:

• комплект фотоэлектрических преобразователей;
• элементы крепления;
• контроллер;
• инвертор;
• АКБ;
• соединительные провода, клеммы.

Выключатели, другие компоненты электрической схемы оборудования приобретают по утвержденной схеме подключения.

Критерии выбора для частного дома: технические характеристики

Кроме стоимости блока пластин, проверяют:

• мощность;
• КПД;
• размеры;
• комплектацию;
• гарантии производителя.

Защитное покрытие продлевает ресурс фотоэлектрического преобразователя. Дорогой металлический каркас надежнее, чем дешевый пластиковый аналог.

Порядок расчета энергетических показателей

Вычисление рабочих параметров упрощают таблицей Excel. Результат рассчитывается автоматически после внесения исходных данных.

Подготовительные мероприятия

Категория (Grade)	Эффективность, %	Дефекты
A	>19	Отсутствуют
B	15-19	Разные оттенки матриц, незначительное искривление поверхности
C	12-15	Видимые сколы, трещины, много паяных элементов
D

Столбцы	Значения
1	Порядковый номер
2	Наименование подключаемого прибора
3	Мощность по техническому паспорту
4-27	В ячейках часовых временных интервалов отмечают периоды включения оборудования, потребление электроэнергии
28, 29	Суммарные показатели

Составление спецификации потребителей

Применяют последовательную запись электрических параметров, начиная с цоколя здания. Обходят помещения по часовой стрелке. Вносят сведения об уличном освещении, подключенной технике. Время работы указывают в десятичном формате. Учитывают потребление электроэнергии блоком фотоэлектрических панелей.

Анализ и оптимизация полученных данных

Для применения фотоэлементов как резервного источника питания смещают самые мощные нагрузки в зону действия централизованного снабжения электрической энергией.

Если оборудование применяют автономно, потребление распределяют равномерно.

Подбор узлов гелиоэлектростанции

Для изучения проекта независимого источника питания можно рассмотреть электростанцию на дачу из фотоэлектрических панелей.

• потребление (Е), кВт/ сутки — 14;
• мощность нагрузки (среднее, максимальное, пиковое значение), Вт — 700, 1500, 1850;
• место расположения объекта недвижимости — г. Казань.

Подразумевается сезонная генерация (март — сентябрь).

Определение рабочего напряжения системы

Напряжение сети постоянного тока, V	Особенности	Рекомендованная мощность, кВт
12	Параллельное включение АКБ увеличивает силу тока на выходе, поэтому применяют провода с большим поперечным сечением	До 1,5
24	Замена аккумуляторных батарей выполняется парами	1,5-3
48	Этот уровень напряжения увеличивает опасность поражения пользователей электрическим током	6 и более

Комплектование батареи солнечными модулями

Формула расчета мощности панели преобразователя — P = (Е*1000)/ (К*И), где:

• Е — среднесуточное потребление электроэнергии;
• 1000 — относительная светочувствительность фотоэлементов;
• К — коэффициент потерь;
• И — инсоляция при оптимальном положении панелей относительно падающих лучей.

Если рабочая зона блока установлена горизонтально, среднее значение солнечной радиации для Казани летом составляет 4,49 кВт*ч/м кв. Подставив исходные параметры, вычисляют мощность электрического источника автономного питания: P = (14*1000)/ (4,49*0,7) ≈ 4450 Вт.

Обустройство аккумуляторного энергоблока

При выборе АКБ учитывают следующие факторы:

• для системы с фотоэлектрическими преобразователями подходят АКБ с маркировкой Solar;
• необходимо покупать комплект батарей из одной товарной партии (подразумеваются одинаковые технические параметры АКБ);
• полная разрядка уменьшает срок службы аккумуляторов, поэтому значение поддерживают от 50 до 70%;
• достаточный энергетический запас — сутки.

Для установки АКБ применяют отапливаемое помещение. Рекомендуемая температура воздуха: +25°C.

Выбор хорошего контроллера

Хорошее оснащение блока управления обеспечивает поэтапный процесс зарядки, продлевающий ресурс АКБ. Сложный контроллер обеспечивает коммутацию автономного и сетевого источников питания по установленному алгоритму.

Подбор инвертора лучшего исполнения

Эффективное преобразование выполняется без больших потерь (КПД>90%). Важный параметр генерации — форма выходного сигнала. Чем точнее синусоида блока питания, тем лучше.

Правила подключения и установки

Фотоэлектрические преобразователи размещают на крыше дома либо на территории земельного участка. Рабочую поверхность автономной системы электрической генерации направляют на юг. Оставляют вентиляционный промежуток между панелью и поверхностью кровли. Крепление блоков делают не менее чем в 4 точках по длинной стороне.

Способы добиться максимальной эффективности

Увеличивают КПД оборудования ориентацией модуля батарей перпендикулярно падающим лучам. Промышленные установки оснащают автоматизированным приводом, трекером. В домашней недорогой системе генерации панели перемещают вручную.

Выгодный угол наклона к горизонтали весной и осенью устанавливают равным значению географической широты (г. Казань — 55°). Летом (зимой) этот параметр уменьшают (увеличивают) на 10-15°.

Крупнейшие производители

Электрические солнечные батареи надежных брендов стоят дорого. Однако большие инвестиционные затраты компенсируются высоким КПД, стабильными техническими характеристиками. Компании обеспечивают контроль рабочих параметров автономных систем генерации до поставки.

Sharp

Японская корпорация создает многослойные батареи (КПД>44%). Преобразователями Sharp оснащают миниатюрные светильники, бытовые системы электроснабжения, промышленные установки.

Производственные подразделения профильного института (Испания) создают мощные солнечные батареи. Эффективность генерации энергии — более 32%. Сотрудники IES создают новые устройства по программе сотрудничества с университетом UPM.

Amonix

Частный разработчик профильного оборудования (США). Крупнейший проект Amonix — американская электростанция, обеспечивающая электроснабжение 6,5 тыс. домов. Лучшие образцы продукции обеспечивают генерацию электрической энергии с КПД — 34,9%.

Sun Power

Основная деятельность Sun Power ограничена рынком Северной Америки. Тонкие проводники встраиваются в тыльную часть батареи, что увеличивает площадь рабочей зоны.

Телеком-СТВ

Серийные панели российского производства обеспечивают эффективность до 21%. Компания поддерживает ценовой уровень на 25-30% ниже, чем конкуренты. Мощность электрических модулей (монокристаллических) — до 270 Вт.

Yingli Solar Green Energy Holding

Китайский концерн — один из крупнейших профильных производителей. Ассортимент бренда содержит 2-сторонние солнечные панели.

Sanyo

Компания в 1980 г. выпустила первые автономные генераторы, действующие по фотоэлектрическим принципам. Высокое качество батарей подтверждено увеличенными до 15 лет официальными гарантийными обязательствами.

First Solar

Панели бренда (США) создают из теллурита кадмия, снижая себестоимость. На домашнем рынке компания предлагает потребителям комплексные решения — от финансирования проекта до утилизации модулей.

Hanwha SolarOne

Производитель (Китай) установил общую гарантию 12 лет на всю продукцию этого типа. Линейность параметров генерации (мощность) преобразователей сохраняется 25 лет.

Real Solar

Российский производитель выпускает:

• перемычки;
• кабели;
• блоки коммутации;
• автоматизированное управление.

Балансиры Real Solar обеспечивают равномерность цикла электрического заряда, которая увеличивает срок службы АКБ.

Helios House

Эта компания (РФ) проектирует, создает, устанавливает и обслуживает системы автономного электроснабжения. Возможность ремонтных работ ограничена зоной действия предприятия — Москва, Санкт-Петербург.

Инструкция по изготовлению и сборке своими руками

• расчет параметров электрической системы питания;
• создание проекта;
• приобретение комплектующих деталей;
• изготовление несущей конструкции из фанеры, ДВП, деревянных реек;
• закрепление фотоэлементов, пайка проводников;
• установка защитной крышки из оргстекла;
• фиксация собранных панелей на опорной поверхности;
• подсоединение инвертора, АКБ, других функциональных блоков;
• проверка мощности генерации, иных параметров оборудования.

Рекомендуется изучить варианты подключения функциональных компонентов системы, чтобы обеспечивать выбор подходящей схемы.

Сложности в эксплуатации

Поддерживают эффективность преобразователей периодической очисткой поверхности. Оптимизируют угол наклона системы. Регулярно проверяют состояние АКБ.

Положительные и отрицательные стороны использования солнечных батарей

Преимущества фотоэлектрического источника питания:

• электроснабжение без дополнительных эксплуатационных затрат;
• самостоятельное выполнение монтажа;
• длительный срок службы рабочих пластин.

• зависимость от географического расположения;
• снижение эффективности (мощности) в пасмурную погоду;
• необходимость регулярной очистки загрязненной поверхности.

Для отопления в северных регионах России такое преобразование не подходит. Кроме высокой цены, следует учитывать низкую инсоляцию. Совершенствование процессов производства уменьшает издержки. Новые технологии увеличивают КПД солнечных панелей.

Сейчас действующий прораб на одной крупной строительной фирме, занимающейся застройкой коттеджных посёлков и строительством частных домов. Раннее сам на протяжении 14 лет в качестве исполнителя занимался строительством домов и ремонтом жилых помещений.

Источник