Что надо знать про солнечные батареи для дома: их выбор, размещение и использование. Солнечные батареи. Виды и устройство. Работа и применение

Современные солнечные батареи нашли широкое применение в различных отраслях, таких как: космонавтика, авиастроение, электрообеспечение строений и наружного освещения, автомобилестроение, водный транспорт, детские игрушки и паркинги с электрозаправками. Давайте подробнее рассмотрим все эти сферы использования солнечных батарей.

Космонавтика

Космонавтика, именно в этой сфере солнечные батареи нашли свое главное применение. Эти устройства являются автономными источниками электричества, снабжающие электроэнергией все системы и установки жизнеобеспечения космических станций, а также обеспечивают бесперебойную и четкую работу всей аппаратуры. Батареи одновременно питают электричеством оборудование и заряжают аккумуляторы, которые будут снабжать электроэнергией космические устройства в теневых участках орбиты.

Самолетостроение

Использование солнечных батарей в самолетостроении стало наиважнейшим достижением в истории покорения неба. Благодаря светогенераторам могут находиться в небе достаточно продолжительное время, не использую при этом топлива. Двигатели самолетов, оснащенных солнечными установками, работают на сгенерированном электричестве. В полете в светлое время суток происходит заряд аккумуляторов самолета, которые в темноте будут отдавать свой заряд двигателям для продолжения полета. Такие самолеты необходимы для связи и разведки, а также для наблюдения в гражданских и научных целях.

Энергообеспечение зданий

Для резервного (в случаях аварийного отключения станций или подстанций, обрывов линий электропередач) или основного (в тех случаях, когда нет возможности подключения к централизованному источнику электроэнергии) энергообеспечения , а также систем уличного освещения солнечные батареи являются идеальным оборудованием. Учитывая, что при традиционной выработке электроэнергии, это касается ТЭЦ, происходит сжигание ископаемого топлива, в процессе чего выделяется огромная масса вредных газов, ведущих к мировому парниковому эффекту.

Даже Англиканская церковь стала призывать человечество к использованию солнечных батарей. Так в Великобритании церковь святого Михаила в городе Хардфордширд стала пионером в применении «зеленого электричества». На крыше этой церкви были установлены солнечные батареи.

Принц Чарльз, также озабочен проблемами экологической обстановки в мире. Он увлекся проектами альтернативной энергии и планирует оборудовать дворец Clarence House, которых находится в Лондоне солнечными батареями.

В планы Министерства обороны США входит сокращение вредных выбросов (углекислого газа) с территории военной базы Перл Харбор и сделать ее экономически независимой. Благодаря оборудованию солнечными батареями крыш, военная база сократит свою потребность в нефтепродуктах на 5 667 баррелей в год, а выброс углекислого газа на 3 118 тонн в год.

Солнечными генераторами оснащаются и другие строения, такие как маяки, расположенные вдали от централизованного электроснабжения. Также этими устройствами оборудуются надводные буи и указатели.

Автомобили и другие транспортные средства

В солнечные установки начинают становиться приоритетом в развитии этой отрасли. Экологически безопасный транспорт – это не просто дань моде, а жизненно необходимая мера. В «зеленых» автомобилях в светлое время суток двигатели приводятся в движение за счет электричества, выработанного солнечным генератором, а в темное время - за счет заряженных аккумуляторов. Такой автомобиль может развивать значительную скорость – 135 км/ч.

Водный транспорт постепенно тоже комплектуют солнцегенераторами. Это касается в основном туристический парк небольших судов. Так в Турции, а именно в городе Далян, известный как курортный город по многочисленным его каналам туристов развозят экологичные лодки, оборудованные солнечными батареями. Правда скорость таких эко – лодок невелика и составляет всего 10 км/ч. Но туристам эта скорость только во благо, они успевают рассмотреть все достопримечательности и пофотографировать.

Где еще используются солнечные батареи?

Самые маленькие пользователи электроэнергии тоже не остались в стороне от наступления «солнечного» электричества. Это связано с заменой обычных батареек на солнечные генераторы. Так любимые машинки, оснащенные солнечными батареями, стали экологически безопасными и практически вечными, если не были разобраны в первые дни игры. Касается это конечно не только машин. Существует большое количество занимательных и развивающих игрушек оснащенных солнечными батареями, благодаря внедрению технологии «солнечного» электричества нет необходимости покупать, а затем выбрасывать использованные гальванические элементы и пристально следить за тем, чтобы они не оказались во рту у малыша. А такая игрушка как макет эко – дома еще и поучительна. Она демонстрирует все возможности солнечных батарей, установленных на крыше частного дома.

Строительство «солнечных» парковок вырастает пропорционально производству гибридных автомобилей. Таким строительством занимаются развитые страны Евросоюза, США и Япония. На крышах этих «заправок» устанавливаются солнечные генераторы, которые заряжают не только припарковавшиеся автомобили, но и аккумуляторы большой мощности. Электрической энергии аккумуляторных батарей хватает только на собственные нужды самой заправки, что делает их энергетически независимыми. В темное время суток автомобили «заправляются» от стационарной сети.

Южнокорейские изобретатели предлагают свое новое изобретение, связанное с решением проблемы зарядки всевозможных устройств (мобильных телефонов, планшетов, ноутбуков и т.п.), в походных условиях. Это устройство, своего рода, солнцегенератор. Оно вырабатывает достаточно электроэнергии для зарядки аккумулятора практически любого гаджета.

Если говорить об энергетике, то в последнее время многие домовладельцы стали использовать альтернативные варианты, один из которых более популярен, чем многие другие. Основывается он на превращении солнечной энергии в энергию электрическую. Однако чтобы преобразовать солнечную энергию в ток, нужно применять специальные средства, единственным доступным вариантом которых являются солнечные панели. Конечно, это дороговато по сравнению с обычным электричеством, но когда электрические сети не подведены к тому или иному зданию (предприятию), то ничего больше не остается, как использовать или бензиновый генератор, или солнечные панели. Однако бензин сегодня тоже не дешевый, и чтобы дать в дом необходимое количество энергии, нужно его потратить немало. А вот с солнечными батареями дело обстоит совсем иначе. С помощью них можно получать энергию совершенно даром, все расходы тут - только на сами панели и их подключение к сети.

Солнечные батареи . Каталог, цены, характеристики.

Солнечные панели представляют собой фотоэлементы, заключенные в соединенные меду собой ячейки, их еще называют солнечными батареями. Для производства электрической энергии в основном используются самые разные полупроводниковые материалы. Именно они занимаются сбором «силы солнца», ее преобразованием и направлением в нужное русло. Полученная энергия применяется и для загрузки постоянного тока, и для накопления в аккумуляторные панели про запас, и непосредственно для преобразования в ток.

Из чего сделаны солнечные батареи?

Существуют самые разные виды солнечных батарей. Однако основа для вырабатывания энергии во всех них одна - это кремний, вернее его диоксид, представляет собой прочные кристаллы. Применяются эти кристаллы для работы транзисторов, процессоров, вычислительной техники и электроники. Солнечные батареи имеют в своей основе металлическую подложку с нанесенным на нее тыльным плюсовым контактом. Поверх него наносится полупроводник Р тип, затем N тип слой и сетка, которая собирает вывод N перехода. На панели наносится специальный антиотражающий слой, который делает их темными.

Недавно на суд потребителей были представлены гибридные панели, которые получают энергию при использовании ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Их изготавливали, совмещая солнечную панель и специально разработанные пленочные полимеры.

Аморфные и гибкие солнечные панели изготавливаются в основном из теллурида кадмия и селенида меди-индия. Использование этих материалов значительно увеличивает КПД батареи.

Особенности использования солнечных батарей

Существуют некоторые особенности, которые следует иметь в виду при работе с солнечными панелями. Если вы проживаете в той местности, где солнца не так много, как хотелось бы, то солнечные панели могут вам не подойти. Вы потратите приличные деньги, а эффективность окажется под вопросом.

Однако даже в солнечных местах батареи могут не работать, если их хорошо не подготовить. Чтобы солнечные панели вырабатывали энергию, придется купить еще кое-какое оборудование:

1. Сами батареи, объединенные в цепь;
2. Специальное устройство (контроллер), посредством которого аккумуляторы будут заряжаться и распределять ток по сети;
3. Запаситесь инвертором, посредством которого фотоэлементы (12-48в) будут преобразовывать энергию в переменный ток;
4. Необходим ряд аккумуляторов, которые будут накапливать заряд. В то время, когда солнце отсутствует, накопленные в аккумуляторах заряды будут полезны;
5. Необходимое количество проводов и крепление.

О преимуществах солнечных панелей.

Поскольку солнечные панели надежны и просты, альтернативный способ выработки энергии активно развивается во многих странах мира. Для их работы не нужно дополнительное топливо. У солнечных панелей довольно большой срок эксплуатации. Обслуживать их также легко. Регулярно очищайте их от грязи и снега, и они будут работать исправно долгие годы. Солнечные панели - это экологически чистое устройство, поскольку они не влияют негативно на окружающую среду.

Где можно устанавливать солнечные панели?

Установите их таким образом, чтобы фотоэлементы были направлены в ту область неба, по которой с востока на запад движется солнце. Если фасад дома направлен на южную сторону, можете смело устанавливать солнечные панели туда. Старайтесь, чтобы на солнечные панели не падала тень. Посмотрите, есть ли рядом с домом свободное пространство. Установите панели на шарнирную опору, которая будет менять положение устройства по направлению к солнцу и способствовать наилучшему освещению фотоэлементов.

Кстати, даже в некоторых электромобилях зарядка аккумуляторов проводится с помощью солнечных батарей, но это пока экзотичное приминение панелей. Чаще всего, солнечными панелями пользуются для энергопитания зданий - общественных и личных. Давно популярны солнечные панели в тех странах, где много солнца. К примеру, Израиль и некоторые страны на побережье Средиземного моря (Турция, Алжир) используют именно солнечные панели для питания электроэнергией офисов, производственных объектов, клиник и других зданий. Солнечные панели используют и в космической отрасли, на космических станциях это практически единственный источник энергии. Такие панели - самые безопасные по сравнению с ядерным и радиоизотопным источниками электроэнергии. Есть и более экзотические способы использования солнечных батарей. Можно взять велодорожку в Нидерландах, которая полностью создана из солнечных панелей и снабжает электричеством многие рядом стоящие здания. Франция планирует создать автомобильные трассы с встроенными в них солнечными панелями усиленного типа.

Солнечные батареи достоинства и недостатки.

Из достоинств можно отметить:

Они экологически чистые, поскольку при их работе отсутствуют выбросы и продукты сгорания.
У них большой срок эксплуатации (до 30 лет).
Их можно устанавливать там, где нет электросетей.

Недостатки солнечных батарей

Из недостатков можно снова упомянуть высокую стоимость самих панелей и оборудования к ним. Они не подходят для работы в тех местах, где нет достаточного количества солнечных лучей. За ними нужно следить, регулярно очищать. Окупаются подобные панели долго.

Однако, невзирая на все проблемы, связанные с получением солнечной энергии, надо твердо помнить о том, что альтернативная энергия - это наше завтра. Но время не стоит на месте и уже сегодня стоит обратить на это внимание и использовать энергию, получаемую от солнечных панелей.

Наука подарила нам время, когда технология использования энергии солнца стала общедоступной. Заполучить солнечные батареи для дома имеет возможность всякий собственник. Дачники не отстают в этом вопросе. Они чаще оказываются вдали от централизованных источников устойчивого электроснабжения.

Мы предлагаем ознакомиться с информацией, представляющей устройство, принципы работы и расчета рабочих узлов гелиосистемы. Ознакомление с предложенными нами сведениями приблизит реальность обеспечения своего участка природным электричеством.

Для наглядного восприятия предоставленных данных прилагаются подробные схемы, иллюстрации, фото- и видео-инструкции.

Устройство и принцип действия солнечной батареи

Когда-то пытливые умы открыли для нас природные вещества, вырабатывающие под воздействием частиц света солнца, фотонов, . Процесс назвали фотоэлектрическим эффектом. Ученые научились управлять микрофизическим явлением.

На основе полупроводниковых материалов они создали компактные электронные приборы – фотоэлементы.

Производители освоили технологию объединения миниатюрных преобразователей в эффективные гелиопанели. КПД панельных солнечных модулей из кремния широко производимых промышленностью 18-22%.

Из описания схемы наглядно видно: все комплектующие элементы электростанции одинаково важны – от их грамотного подбора зависит согласованная работа системы

Из модулей собирается солнечная батарея. Она является конечным пунктом путешествия фотонов от Солнца до Земли. Отсюда эти составляющие светового излучения продолжают свой путь уже внутри электрической цепи как частицы постоянного тока.

Они распределяются по аккумуляторам, либо подвергаются трансформации в заряды переменного электротока напряжением 220 вольт, питающего всевозможные домашние технические устройства.

Солнечная батарея представляет собой комплекс последовательно соединенных полупроводниковых устройств — фотоэлементов, преобразующих солнечную энергию в электрическую

Больше подробностей о специфике устройства и принципе действия солнечной батареи вы найдете в другой нашего сайта.

Виды солнечных модулей-панелей

Гелиопанели-модули собираются из солнечных элементов, иначе – фотоэлектрических преобразователей. Массовое применение нашли ФЭП двух видов.

Они отличаются используемыми для их изготовления разновидностями полупроводника из кремния, это:

• Поликристаллические. Это солнечные элементы, изготовленные из кремниевого расплава путем длительного охлаждения. Несложный метод производства обуславливает доступность цены, но производительность поликристаллического варианта не превышает 12%.
• Монокристаллические. Это элементы, полученные в результате нарезки на тонкие пластины искусственно выращенного кремниевого кристалла. Самый продуктивный и дорогой вариант. Средний КПД в районе 17 %, можно найти монокристаллические фотоэлементы с более высокой производительностью.

Поликристаллические солнечные элементы плоской квадратной формы с неоднородной поверхностью. Монокристаллические разновидности выглядят как тонкие однородной поверхностной структуры квадраты со срезанными углами (псевдоквадраты).

Так выглядят ФЭП – фотоэлектрические преобразователи: характеристики солнечного модуля не зависят от разновидности применяемых элементов – это влияет лишь на размеры и цену

Панели первого исполнения при одинаковой мощности больше размером, чем вторые из-за меньшей эффективности (18% против 22%). Но процентов, в среднем, на десять дешевле и пользуются преимущественным спросом.

Галерея изображений

О правилах и нюансах выбора солнечных батарей для снабжения энергией автономного отопления вы сможете .

Схема работы солнечного электроснабжения

Когда проводишь взглядом по загадочно звучащим названиям узлов, входящих в состав системы питания солнечным светом, приходит мысль о супертехнической сложности устройства.

На микроуровне жизни фотона это так. А наглядно общая схема электрической цепи и принцип ее действия выглядят очень даже просто. От светила небесного до «лампочки Ильича» всего четыре шага.

Солнечные модули — первая составляющая электростанции. Это тонкие прямоугольные панели, собранные из определенного числа стандартных пластин-фотоэлементов. Производители делают фотопанели различными по электрической мощности и напряжению, кратному 12 вольтам.

Галерея изображений

Устройства плоской формы удобно располагаются на открытых для прямых лучей поверхностях. Модульные блоки объединяются при помощи взаимных подключений в гелиобатарею. Задача батареи преобразовывать получаемую энергию солнца, выдавая постоянный ток заданной величины.

Устройства накопления электрического заряда — известны всем. Роль их внутри системы энергоснабжения от солнца традиционна. Когда домашние потребители подключены к централизованной сети, энергонакопители запасаются электричеством.

Они также аккумулируют его излишки, если для обеспечения расходуемой электроприборами мощности достаточно тока солнечного модуля.

Аккумуляторный блок отдает цепи требуемое количество энергии и поддерживает стабильное напряжение, как только потребление в ней возрастает до повышенного значения. То же происходит, например, ночью при неработающих фотопанелях или во время малосолнечной погоды.

Схема энергообеспечения дома с помощью солнечных батарей отличается от вариантов с коллекторами возможностью накапливать энергию в аккумуляторе

Контроллер – электронный посредник между солнечным модулем и аккумуляторами. Его роль регулировать уровень заряда аккумуляторных батарей. Прибор не допускает их закипания от перезарядки или падения электрического потенциала ниже определенной нормы, необходимой для устойчивой работы всей гелиосистемы.

Переворачивающий, так дословно объясняется звучание термина . Да, ведь на самом деле, этот узел выполняет функцию, когда-то казавшуюся электротехникам фантастикой.

Он преобразует постоянный ток солнечного модуля и аккумуляторов в переменный с разностью потенциалов 220 вольт. Именно такое напряжение является рабочим для подавляющей массы бытовых электроустройств.

Поток солнечной энергии пропорционален положению светила: устанавливая модули, хорошо бы предусмотреть регулировку угла наклона в зависимости от времени года

Пиковая нагрузка и среднесуточное энергопотребление

Удовольствие иметь собственную гелиостанцию стоит пока немало. Первая ступень на пути к обладания могуществом энергии солнца – определение оптимальной пиковой нагрузки в киловаттах и рационального среднесуточного энергопотребления в киловатт-часах домашнего или дачного хозяйства.

Пиковая нагрузка создается необходимостью включения сразу нескольких электрических приборов и определяется их максимальной суммарной мощностью с учетом завышенных пусковых характеристик некоторых из них.

Подсчет максимума потребляемой мощности позволяет выявить, жизненно нужна одновременная работа каких электроприборов, а которых не очень. Такому показателю подчиняются мощностные характеристики узлов электростанции, то есть итоговая стоимость устройства.

Суточное энергопотребление электроприбора измеряется произведением его индивидуальной мощности на время, что он проработал от сети (потреблял электроэнергию) в течение суток. Общее среднесуточное энергопотребление рассчитывается как сумма израсходованной энергии электричества каждым потребителем за суточный период.

Последующий анализ и оптимизация полученных данных о нагрузках и энергопотреблении обеспечат нужную комплектацию и последующую работу солнечной энергосистемы с минимальными затратами

Результат потребления энергии помогает рационально подойти к расходу солнечного электричества. Итог вычислений важен для дальнейшего расчета емкости аккумуляторов. От этого параметра цена аккумуляторного блока, немало стоящего компонента системы, зависит еще больше.

Порядок расчета энергетических показателей

Процесс вычислений в буквальном смысле начинается с горизонтально расположенного, в клеточку, развернутого тетрадного листа. Легкими карандашными линиями из листка получается бланк с тридцатью графами, а строками по количеству домашних электроприборов.

Подготовка к арифметическим расчетам

Первая колонка чертится традиционная – порядковый номер. Второй столбик – наименование электроприбора. Третий – его индивидуальная потребляемая мощность.

Столбцы с четвертого по двадцать седьмой – часы суток от 00 до 24. В них через горизонтальную дробную черту заносятся:

• в числитель – время работы прибора в период конкретного часа в десятичном виде (0,0);
• в знаменатель – вновь его индивидуальная потребляемая мощность (это повторение нужно для подсчета часовых нагрузок).

Двадцать восьмая колоночка – суммарное время, которое работает бытовое устройство в течение суток. В двадцать девятую – записывается персональное энергопотребление прибора как результат умножения индивидуальной потребляемой мощности на время работы за суточный период.

Составление развернутой спецификации потребителей с учетом почасовых нагрузок поможет оставить больше привычных приборов, благодаря их рациональному использованию

Тридцатая колонка тоже стандартная – примечание. Она пригодится для промежуточных подсчетов.

Составление спецификации потребителей

Следующий этап расчетов – превращение тетрадного бланка в спецификацию бытовых потребителей электроэнергии. С первой колонкой понятно. Здесь проставляются порядковые номера строк.

Во втором столбике вписываются наименования потребителей энергии. Рекомендуется начинать заполнение электроприборами прихожей. Далее описываются другие помещения против или по часовой стрелке (кому как удобно).

Если есть второй (и т.д.) этаж, процедура та же: от лестницы – вкруговую. При этом не надо забывать про приборы на лестничных пролетах и уличное освещение.

Третью графу с указанием мощности напротив названия каждого электрического прибора лучше наполнять попутно со второй.

Столбцы с четвертого по двадцать седьмой соответствуют всякий своему часу суток. Для удобства их сразу можно прочеркнуть горизонтальными линиями посередине строк. Полученные верхние половины строчек – как бы числители, нижние – знаменатели.

Эти столбцы заполняются построчно. Числители выборочно оформляются как временные интервалы десятичного формата (0,0), отражающие время работы данного электроприбора в тот или иной конкретный часовой период. Параллельно там, где проставляются числители, вписываются знаменатели с показателем мощности прибора, взятой из третьей графы.

После того как все часовые столбцы заполнены, переходят к подсчетам индивидуального суточного рабочего времени электроприборов, двигаясь по строчкам. Результаты фиксируются в соответствующих ячейках двадцать восьмой колоночки.

В случае, когда солнечная электростанция играет вспомогательную роль, чтобы система не работала вхолостую, часть нагрузки можно подключить к ней на постоянное питание

На основе мощности и рабочего времени последовательно вычисляется суточное энергопотребление всех потребителей. Оно отмечается в ячеях двадцать девятого столбика.

Когда все строки и столбики спецификации заполнены, производят расчеты итогов. Складывая пографно мощности из знаменателей часовых столбцов, получают нагрузки каждого часа. Просуммировав сверху вниз индивидуальные суточные энергопотребления двадцать девятой колоночки, находят общее среднесуточное.

Расчет не включает собственное потребление будущей системы. Этот фактор учитывается вспомогательным коэффициентом при последующих итоговых вычислениях.

Анализ и оптимизация полученных данных

Если питание от гелиоэлектростанции планируется как резервное, данные о почасовых потребляемых мощностях и об общем среднесуточном энергопотреблении помогают минимизировать расход дорогого солнечного электричества.

Этого добиваются, исключая из пользования энергоемкие потребители до момента восстановления централизованного электроснабжения, особенно в часы максимальных нагрузок.

Если солнечная энергосистема проектируется как источник постоянного электрообеспечения, тогда результаты часовых нагрузок выдвигаются вперед. Важно так распределить потребление электричества в течение суток, чтобы убрать намного преобладающие максимумы и сильно проваливающиеся минимумы.

Исключение пиковой, выравнивание максимальных нагрузок, устранение резких провалов энергопотребления во времени позволяют подобрать наиболее экономичные варианты узлов солнечной системы и обеспечивают стабильную, главное, безаварийную долговременную работу гелиостанции.

График раскроет неравномерность энергопотребления: наша задача – сдвинуть максимумы на время наибольшей активности солнца и уменьшить общий суточный расход, особенно ночной.

Представленный чертеж показывает превращение полученного на основе составленной спецификации нерационального графика в оптимальный. Показатель суточного потребления снижен с 18 до 12 кВт/ч, среднесуточная почасовая нагрузка с 750 до 500 Вт.

Такой же принцип оптимальности пригодится при использовании варианта питания от солнца в качестве резервного. Излишне тратиться на увеличение мощности солнечных модулей и аккумуляторных батарей ради некоторого временного неудобства, возможно не стоит.

Подбор узлов гелиоэлектростанции

Для упрощения расчетов будет рассматриваться версия применения солнечной батареи как основного для дачи источника электрической энергии. Потребителем выступит условный дачный домик в Рязанской области, где постоянно проживают с марта по сентябрь.

Наглядности рассуждениям придадут практические вычисления, основывающиеся на данных опубликованного выше рационального графика почасового энергопотребления:

• Общее среднесуточное энергопотребление = 12 000 ватт/час.
• Пиковая нагрузка 1200 х 1,25 = 1500 ватт (+25%).

Значения потребуются в расчетах суммарной емкости солнечных приборов и прочих рабочих параметров.

Определение рабочего напряжения гелиосистемы

Внутреннее рабочее напряжения всякой гелиосистемы основывается на кратности 12 вольтам, как самого распространенного номинала аккумуляторных батарей. Наиболее широко узлы гелиостанций: солнечные модули, контроллеры, инверторы – выпускаются под популярные напряжения 12, 24, 48 вольт.

Более высокое напряжение позволяет использовать питающие провода меньшего сечения – а это повышенная надежность контактов. С другой стороны, вышедшие из строя аккумуляторы сети 12В, можно будет заменять по одному.

В 24-вольтовой сети, рассматривая специфику эксплуатации аккумуляторных батарей, придется производить замену только парами. Сеть 48V потребует смены всех четырех батарей одной ветки. К тому же, при 48 вольтах уже существует опасность поражения электрическим током.

При одинаковой емкости и примерно равной цене следует приобретать аккумуляторы с наибольшей допустимой глубиной разряда и более максимальным током

Главный выбор номинала внутренней разности потенциалов системы связан с мощностными характеристиками выпускаемых современной промышленностью инверторов и должен учитывать величину пиковой нагрузки:

• от 3 до 6 кВт – 48 вольт,
• от 1,5 до 3 кВт – равен 24 или 48V,
• до 1,5 кВт – 12, 24, 48В.

Выбирая между надежностью проводки и неудобством замены аккумуляторов, для нашего примера остановимся на надежности. В последующем будем отталкиваться от рабочего напряжения рассчитываемой системы 24 вольта.

Комплектование батареи солнечными модулями

Формула расчета требуемой от солнечной батареи мощности выглядит так:

Рсм = (1000 * Есут) / (к * Син),

• Рсм = мощность солнечной батареи = суммарная мощность солнечных модулей (панелей, Вт),
• 1000 = принятая светочувствительность фотоэлектрических преобразователей (кВт/м²)
• Есут = потребность в суточном энергопотреблении (кВт*ч, в нашем примере = 18),
• к = сезонный коэффициент, учитывающий все потери (лето = 0,7; зима = 0,5),
• Син = табличное значение инсоляции (потока солнечной радиации) при оптимальном наклоне панелей (кВт*ч/м²).

Узнать значение инсоляции можно у региональной метеорологической службы.

Оптимальный угол наклона солнечных панелей равен значению широты местности:

• весной и осенью,
• плюс 15 градусов – зимой,
• минус 15 градусов – летом.

Рассматриваемая в нашем примере Рязанская область находится на 55-й широте.

Наибольшая мощность солнечных батарей достигается использованием систем слежения, сезонным изменением угла наклона панелей, применением смешанного дифферента модулей

Для взятого времени с марта по сентябрь лучший нерегулируемый наклон солнечной батареи равен летнему углу 40⁰ к поверхности земли. При такой установке модулей усредненная суточная инсоляция Рязани в этот период 4,73. Все цифры есть, выполним расчет:

Рсм = 1000 * 12 / (0,7 * 4,73) ≈ 3 600 ватт.

Если брать за основу солнечной батареи 100-ваттные модули, то потребуется их 36 штук. Будут весить они килограмм 300 и займут площадь размером где-то 5 х 5 м.

Проверенные на практике монтажные схемы и варианты подключения солнечных батарей .

Обустройство аккумуляторного энергоблока

Подбирая аккумуляторные батареи, нужно руководствоваться постулатами:

1. НЕ подходят для этой цели обычные автомобильные аккумуляторы. Батареи солнечных электростанций маркируются надписью «SOLAR».
2. Приобретать аккумуляторы следует только одинаковые по всем параметрам, желательно, из одной заводской партии.
3. Помещение, где размещается аккумуляторный блок, должно быть теплым. Оптимальная температура, когда батареи выдают полную мощность = 25⁰C. При ее снижении до -5⁰C емкость аккумуляторов уменьшается на 50%.

Если взять для расчета показательный аккумулятор напряжением 12 вольт емкостью 100 ампер/час, несложно подсчитать, целый час он сможет обеспечить энергией потребителей суммарной мощностью 1200 ватт. Но это при полной разрядке, что крайне нежелательно.

Для длительной работы аккумуляторных батарей НЕ рекомендуется снижать их заряд ниже 70%. Предельная цифра = 50%. Принимая за «золотую середину» число 60%, кладем в основу последующих вычислений энергозапас 720 Вт/ч на каждые 100 А*ч емкостной составляющей аккумулятора (1200 Вт/ч х 60%).

Возможно, покупка одного аккумулятора емкостью 200 А*ч обойдется дешевле приобретения двух по 100, да и количество контактных соединений батарей уменьшится

Первоначально устанавливать аккумуляторы необходимо 100% заряженными от стационарного источника тока. Аккумуляторные батареи должны полностью перекрывать нагрузки темного времени суток. Если не повезет с погодой, поддерживать необходимые параметры системы и днем.

Важно учесть, что переизбыток аккумуляторов приведет к их постоянному недозаряду. Это значительно уменьшит срок службы. Наиболее рациональным решением видится укомплектование блока батареями с энергозапасом, достаточным для покрытия одного суточного энергопотребления.

Чтобы узнать требующуюся суммарную емкость батарей, разделим общее суточное энергопотребление 12000 Вт/ч на 720 Вт/ч и умножим на 100 А*ч:

12 000 / 720 * 100 = 2500 А*ч ≈ 1600 А*ч

Итого для нашего примера потребуется 16 аккумуляторов емкостью 100 или 8 по 200 А*ч, подключенных последовательно-параллельно.

Выбор хорошего контроллера

Выводы и полезное видео по теме

Ролик #1. Показ установки солнечных батарей на крышу дома своими руками:

Ролик #2. Выбор аккумуляторных батарей для гелиосистемы, виды, отличия:

Ролик #3. Дачная солнечная электростанция для тех, кто все делает сам:

Рассмотренные пошаговые практические приемы расчетов, основной принцип эффективной работы современной солнечной панельной батареи в составе домашней автономной гелиостанции помогут хозяевам и большого дома густонаселенного района, и дачного домика в глуши обрести энергетическую суверенность.

ВВЕДЕНИЕ

Идея создания данного проекта пришла ко мне не случайно. Мой дядя недавно побывал в Израиле, где люди повсеместно используют солнечную энергию для бытовых нужд (освещение, обогрев домов, воды и т. д.). Эта тема меня очень заинтересовала, и я решил больше узнать об этом и попробовал создать макет дома, освещаемого с помощью солнечной батареи (или солнечного модуля).

Солнечная батарея - бытовой термин, используемый в разговорной речи или не научной прессе. Обычно под термином “солнечная батарея” подразумевается несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) - полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

История создания солнечной батареи

Еще в древности люди начали задумываться о возможностях применения солнечной энергии. Согласно легенде, великий греческий ученый Архимед сжег неприятельский флот, осадивший его родной город Сиракузы, с помощью системы зажигательных зеркал. Доподлинно известно, что около 3000 лет назад султанский дворец в Турции отапливался водой, нагретой солнечной энергией. Древние жители Африки, Азии и Средиземноморья получали поваренную соль, выпаривая морскую воду. Однако больше всего людей привлекали опыты с зеркалами и увеличительными стеклами. Настоящий “солнечный бум” начался в XVIII столетии, когда наука, освобожденная от пут религиозных суеверий, пошла вперед семимильными шагами. Первые солнечные нагреватели появились во Франции. Естествоиспытатель Ж. Бюффон создал большое вогнутое зеркало, которое фокусировало в одной точке отраженные солнечные лучи. Это зеркало было способно в ясный день быстро воспламенить сухое дерево на расстоянии 68 метров. Вскоре после этого шведский ученый Н. Соссюр построил первый водонагреватель. Это был всего лишь деревянный ящик со стеклянной крышкой, однако вода, налитая в немудреное приспособление, нагревалась солнцем до 88°С. В 1774 году великий французский ученый А. Лавуазье впервые применил линзы для концентрации тепловой энергии солнца. Вскоре в Англии отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, расплавлявшее чугун за три секунды и гранит – за минуту.

Первые солнечные батареи, способные преобразовывать солнечную энергию в механическую, были построены опять–таки во Франции. В конце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо демонстрировал инсолятор – аппарат, который при помощи зеркала фокусировал лучи на паровом котле. Котел приводил в действие печатную машину, печатавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в США построили подобный аппарат мощностью в 15 лошадиных сил.

Преимущества солнечной батареи

Одно из главных достоинств солнечной энергии – ее экологическая чистота. Правда, соединения кремния могут наносить небольшой вред окружающей среде, однако по сравнению с последствиями сжигания природного топлива такой ущерб – капля в море.

Полупроводниковые солнечные батареи имеют очень важное достоинство – долговечность. Притом, что уход за ними не требует от персонала особенно больших знаний. Вследствие этого солнечные батареи становятся все более популярными в промышленности и быту.

Несколько квадратных метров солнечных батарей вполне могут решить все энергетические проблемы небольшой деревушки. В странах с большим количеством солнечных дней – южной части США, Испании, Индии, Саудовской Аравии и прочих – давно уже действуют солнечные электростанции. Некоторые из них достигают довольно внушительной мощности.

Сегодня уже разрабатываются проекты строительства солнечных электростанций за пределами атмосферы – там, где солнечные лучи не теряют своей энергии. Уловленное на земной орбите излучение предлагается переводить в другой тип энергии – микроволны – и затем уже отправлять на Землю. Все это заучит фантастично, однако современная технология позволяет осуществить такой проект в самом близком будущем.

Солнечная энергетика открыта уже довольно давно. Но ее долго не рассматривали в качестве крупного источника энергии из–за дороговизны производства. Время шло, и технологии развивались. Солнечные панели подешевели и стали серьезным источником энергии. В прошлом году во всем мире суммарная мощность солнечных электростанций превысила 20 гигаватт! И этот показатель с начала нынешнего века удваивается каждые три года. В стороне только Россия (а зря, ведь плата за электроэнергию в стране велика).

Недостатки солнечной батареи

Зависимость от погоды и времени суток.

Как следствие необходимость аккумуляции энергии.

Высокая стоимость конструкции.

Необходимость постоянной очистки отражающей поверхности от пыли.

Нагрев атмосферы над электростанцией.

Где производят солнечные панели?

В наше время тема развития альтернативных способов получения энергии как нельзя более актуальна. Традиционные источники стремительно иссякают и уже через каких–нибудь пятьдесят лет могут быть исчерпаны. И уже сейчас энергетические ресурсы довольно дороги и в значительной мере влияют на экономику многих государств.

Всё это заставляет жителей нашей планеты искать новые способы получения энергии. И одним из наиболее перспективных направлений является получение солнечной энергии. И это вполне естественно. Ведь именно Солнце даёт жизнь нашей планете и обеспечивает нас теплом и светом. Солнце обогревает все уголки Земли, управляет реками и ветром. Его лучи выращивают не менее одного квадриллиона тонн всевозможных растений, которые, в свою очередь, являются пищей для животных.

Производство солнечных панелей растет бешеными темпами, стараясь поспеть за стремительно растущим спросом. Причем одновременно растет спрос и для промышленных электростанций и для бытового потребления.

Лидером в производстве солнечных панелей является Китай. Здесь производят почти треть (29%) от общемировой продукции. При этом большая часть уходит на экспорт – в США и Европу. Примечательно, что американцы, являясь крупнейшим потребителем, производят лишь 6% от всех солнечных панелей, предпочитая инвестировать в перспективные крупные заводы в Китае.

Ненамного от Китая отстают Япония и Германия, которые производят соответственно 22% и 20% от общемировой продукции. Еще одним лидером является Тайвань – 11% рынка. Все остальные страны производят значительно меньшее количество солнечных панелей.

Создание дома

Идея использования солнечных батарей для нужд людей, так привлекла меня, что я решил смастерить макет дома из картона, освещаемого светодиодом, который питается от солнечной батареи. Для этого я собрал соответствующую схему электрической цепи. Для возможности использования освещения в пасмурную погоду и в ночное время, в цепь, возможно, подключить аккумуляторную батарею.

В последнее время активно развиваются технологии получения альтернативной энергии. Это солнечные батареи (СБ), ветровые станции и ряд иных устройств. Особенно перспективными считаются СБ или так называемые фотоэлектрические панели, ведь с учетом почти вечной жизни солнца такая энергия является неисчерпаемой. Несмотря на их пока что сравнительно высокую стоимость, они обеспечивают получение бесплатной и экологически чистой энергии. Тем не менее, цены на СБ год из года снижаются, что свидетельствует о больших перспективах их повсеместного внедрения.

Устройство солнечных батарей

Солнечная батарея представляет систему полупроводниковых устройств в виде фотоэлектрических преобразователей, которые преобразуют энергию солнца в постоянный электрический ток с применением принципа фотоэффекта.

1 — Контроллер
2 — Батарея
3 — Инвертор
4 — Модуль
5 — Электрооборудование

Солнечная батарея включает в себя следующие элементы:

• , состоящий из двух слоев материалов с различной проводимостью. К примеру, это может быть поликристаллический или монокристаллический кремний с включением иных химических соединений для создания принципа фотоэффекта p-n перехода. То есть, один материал имеет недостаток электронов, а другой – их избыток.
• , тончайший слой элемента, который противостоит переходу электронов.
• . При его подключении к противостоящему слою, запорная зона легко преодолевается электронами. В результате появляется упорядоченное движение зараженных частиц, то есть электрический ток.
• . Обеспечивает накопление и сохранение энергии.
• . Производит преобразование постоянного тока, идущего от солнечной батареи, в переменный.
• . Обеспечивает в системе солнечной батареи создание напряжения необходимого диапазона.

Принцип действия

• Солнечный свет в виде фотонов света попадает на поверхность солнечной батареи.
• При столкновении с поверхностью полупроводника фотоны передают энергию электронам полупроводника.
• Электроны, выбитые из полупроводника вследствие удара, преодолевают защитный слой, имея при себе дополнительную энергию.
• В результате отрицательные электроны переходят в проводник n из p-проводника, а положительные совершают обратный маневр. Подобному переходу способствуют электрические поля, которые на данный момент имеются в проводниках. Впоследствии они увеличивают разность и силу зарядов.

Если батарея, освещенная солнцем, замкнута на определенную нагрузку с сопротивлением R, то наблюдается появление электрического тока I. Его величина определяется сопротивлением нагрузки, интенсивностью освещения и качеством фотоэлектрического преобразователя. Мощность P, выделяемая в нагрузке определяется формулой P= I*U, где U показывает напряжение на зажимах батареи.

Виды

В зависимости от применяемых материалов солнечные батареи могут быть:

• Панели из монокристаллических фотоэлектрических элементов. Они эффективны, однако более дороги, КПД составляет 14-16%. У монокристаллических элементов многоугольная форма, вследствие чего всю площадь заполнить трудно;
• Панели из аморфного кремния. Такие батареи демонстрируют низкий КПД в пределах 6-8%. Но среди кремниевых технологий преобразователей у них наиболее дешевая электроэнергия;
• Панели из теллурида кадмия выполняются на базе пленочной технологии. Нанесение полупроводникового слоя осуществляется слоем в несколько сотен микрометров. КПД составляет 11%, но в сравнении с кремниевыми батареями ватт мощности обходится дешевле на десятки процентов;
• Панели на базе полупроводников CIGS, которые состоят из селена, галлия, индия и меди. КПД таких панелей доходит до 15%;
• Полимерные панели. Это разновидность тонкопленочных батарей, принцип работы которых напоминает фотосинтез растений. Включает слой полимера, защитный слой, гибкую подложку и алюминиевые электроды. КПД 5-6%;
• Наиболее распространенными вследствие оптимального соотношения КПД и цены являются панели из поликристаллических фотоэлектрических элементов. Их КПД достигает 12-14%.

СБ также можно условно разбить на следующие типы:

• Тонкопленочные или гибкие (на базе теллурида кадмия, кристаллические и аморфные);
• Жесткие (из кристаллического кремния, иногда аморфного);
• Односторонние (поглощают свет одной стороной);
• Двухсторонние (поглощают свет обеими сторонами).

Особенности

• Заряд аккумуляторной батареи при слабом солнечном свете уменьшается, отдавая электроприемнику электрическую энергию, то есть идет постоянная работа в режиме зарядки и разряда. Контроль выполняется специальным контроллером.
• СБ не требуют никаких специальных профилактических работ. Может потребоваться лишь протирание пыли.
• Панели можно использовать и зимой, однако производительность в этот период уменьшается в полтора-два раза. Чтобы на панелях не накапливается снег, их следует устанавливать под углом 70 градусов на возвышении.
• Солнечные батареи лучше всего подойдут для автономных систем, в которых много бытовых энергоэффективных электроприборов, не включенных постоянно.

Применение

Солнечные батареи могут применяться практически повсеместно:

• Электромобили.
• Портативная электроника.
• Калькуляторы, фонарики, плееры и так далее, то есть везде, где требуется подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники.
• Авиация. Так создан самолет Solar Impulse, работающий только на солнечной энергии.
• Энергообеспечение домов, школ, аэропортов и иных зданий. Солнечные батареи широко используются в субтропических и тропических регионах, где много солнечных дней. В особенности популярны они в странах Средиземноморья.
• Использование в космосе. СБ ставят на МКС, устанавливают на спутниках, космических и межпланетных аппаратах, а также многое другое.

Достоинства и недостатки

Среди преимуществ можно отметить:

• Экологичность;
• Долговечность, фотоэлементы служат несколько десятков лет;
• Простой принцип работы. Благодаря чему поломок в солнечной батарее практически не бывает;
• Бесшумность;
• Возможность постоянной работы;
• Не нужно топлива;
• Общедоступность;
• Возможность изменения мощности системы.

Среди недостатков можно отметить:

• Низкий КПД. Нужна большая площадь батарей, чтобы обеспечить нужды даже небольшой семьи;
• Сложность сборки системы и наладки;
• Достаточно высокая стоимость солнечных батарей, а также низкая окупаемость системы.

Перспективы

Стремление человечества к экологичности и отказу от нефти приведет к внедрению все больших энергосберегающих технологий. Это значит, что солнечные батареи будут использоваться повсеместно. А создание панелей с более высоким КПД позволит:

• Оборудовать большинство зданий панелями для получения энергии;
• Монтировать их в автомобили, дороги, роботы и многочисленные иные приборы;
• Устанавливать их в одежду и даже вживлять в человека. Южнокорейские ученые уже создали подкожную солнечную батарею, которая в 15 раз тоньше волоса. Она обеспечивает бесперебойную работу приборов, которые имплантированы в тело, к примеру, кардиостимулятора.