Солнечные панели (батареи) для дома. Перспективы развития использования солнечной энергии. Влияние на окружающую среду

Технологические инновации действительно удивляют, в особенности, если это касается практической стороны жизни. Еще совсем недавно людям не были известны схемы получения выгодной энергии, дающей возможность отказаться от дорогого электричества. Согласитесь, теперь альтернативные источники доступны каждому и было бы здорово ими воспользоваться.

Новаторские солнечные панели для отопления постепенно, но настойчиво внедряются в наши бытовые реалии. Но прежде чем отправиться за ними в магазин, стоит взвесить все за и против, иначе можно приобрести совсем неподходящую модель. Для того чтобы этого не случилось, мы раскроем секреты выбора этих устройств.

Кроме того, из нашего материала вы узнаете, конструктивные особенности солнечных коллекторов, а также найдете пошаговую инструкцию по установке гелиобаратей. Для простоты восприятия материал сопровождается тематическими фотографиями и видеороликами.

Нередко, столкнувшись с необходимостью монтажа солнечных панелей, человек задается вопросом о целесообразности предприятия. Потому что в большинстве случаев процент солнечных дней существенно проигрывает аналогичному значению пасмурных.

Подобное соотношение характерно для регионов средней полосы, а климату северных областей свойственно еще большее количество облачных дней.

Недостаточное количество солнечных дней напрямую связано с эффективностью работы приборов, перерабатывающих энергию земного светила. Вследствие уменьшается попадание солнечных лучей на поверхность батареи. Процесс этот называется инсоляцией.

Солнечные батареи могут использоваться в отопительных системах в качестве поставщика теплоносителя или энергии для питания приборов

Суть его заключается в том, что любая плоскость, независимо от ее назначения, принимает на себя определенное количество солнечной энергии. В южных регионах количество это естественно выше, что делает монтаж солнечных панелей более актуальным.

Однако, как показывает практика, рынок технологического оснащения в сфере синтеза энергии солнца, неустанно улучшает свои продукты, поэтому современные фотоэлементы в гелиопанелях прекрасно функционируют даже в местности с невысоким уровнем инсоляции.

Распределение солнечной активности на примере карты России. Более высокий коэффициент характерен для южных областей (кликните для увеличения)

Взвешенный подход к установке

Перед тем, как организовать систему отопления на солнечных батареях, следует выяснить минусы и сильные стороны конструкции, питающейся энергией солнца.

Знания эти нужны для лучшего восприятия отличий оборудования от аналогов и оценки рациональности устройства и оценки целесообразности сооружения.

Наиболее значимыми факторами являются:

• Эффективность . Реальный КПД при конвертации солнечной энергии в электрическую. Пока энергия гелиобатарей почти пятикратно дороже привычного электричества.
• Сезонность применения. Солнечные батареи смогут производительно работать только при отсутствии препятствий на пути солнечных лучей, в том числе высокой облачности.
• Слабая схема аккумуляции. Полученную энергию в большинстве случаев нужно расходовать сразу. Для накопления и хранения ее нужны довольно объемные накопители, для размещения которых потребуется внушительная площадь.
• Необходимость во вспомогательной энергии. В зимний период гелиопанели не смогут поставлять достаточного для обогрева дома количества тепла. Но могут стать полезным дополнением к отопительному котлу в случае солнечной погоды.
• Целесообразность сооружения. На текущий момент окупаемость солнечных батарей заставляет желать лучшего. Установка их оправдывает себя только в местностях, не подключенных к централизованным сетям. Там, где солнечным приборам нет вообще альтернативы.

Есть надежды на разработку и выпуск более доступных частникам приборов гелиоэнергетики. Есть уверенность, что когда-то сооружение систем, перерабатывающих солнечную энергию, станет рентабельным.

Правда, если учесть, что энергорессурсы планеты постепенно тают, то можно вполне рассматривать гелиотехнику как выгодное, перспективное вложение.

Солнечный комплекс полностью безопасен для окружающей среды, не выделяет токсичных продуктов горения, не нарушает естественного баланса, не требует сжигания ископаемых и древесины

Однако сейчас это лишь дополнение к основным источникам тепла, но уже обладающая собственным набором преимуществ, это:

• Длительный период эксплуатации. Конструктивная простота гарантирует минимум поломок. Панели можно случайно повредить в момент очистки от снега, но замена стекла вполне доступна для производства собственными руками.
  
• Широкая вариативность моделей. Приборы выпускает солидное число зарубежных и отдельные представители отечественных производителей. Разброс цен позволяет выбрать вариант «по карману».
• Индивидуальность настроек. Оборудование можно настроить с учетом всех капризов природы в конкретной местности.
• Дешевизна энергии. Точнее, ее полная бесплатность — качество, которое не стоит воспринимать буквально из-за солидной материалоемкости сооружения гелиопанелей.
• Внешняя привлекательность. Плоские системы обогрева не нарушают архитектуры домов, могут восприниматься как элементы креативного дизайна.

Выяснили, что солнечная энергия может стать подспорьем в быту, дополняющим традиционные источники отопления. Кроме того, учитывая сегодняшние цены на топливо, альтернатива в виде солнечных батарей поспособствует экономии, особенно в условиях частного сектора.

Ведущие производители оборудования, при описании своих товаров, всячески делают акцент на абсолютной экологичности системы. Естественно, процесс преобразования фотонной энергии происходит без участия каких бы то ни было горючих, токсичных, либо химических взрывоопасных веществ.

Расположенные на крыше солнечные панели не портят экстерьер дома, не занимают много места

Если рассуждать более глобально, повсеместное использование солнечных батарей безусловно снизит потребление других источников энергии, таких как уголь или природный газ. Конечно же, ситуация с экологией в таком случае качественно улучшится, а неуемные счета за отопление и горючие материалы останутся в прошлом.

Эффективность работы панелей прямо пропорциональна количеству поглощаемой солнечной энергии. Но технологический аспект оборудования разных видов позволяет увеличить либо уменьшить производительность.

Для повышения производительности системы, рекомендуется осуществлять монтаж солнечного отопления в симбиозе с другими, более традиционными способами обогрева.

Не стоит беспокоиться о том, что солнечный коллектор очень скоро выйдет из строя. Средний срок эксплуатации такого оборудования составляет около 15 лет. Правильное функционирование фотоэлементов в первую очередь зависит от региона, в котором используется установка.

Как правило, наиболее интенсивный уровень инсоляции подвергает систему большей нагрузке. Поэтому, если оборудование используется в умеренном климате, оно вполне способно прослужить более 15 лет.

Срок эксплуатации солнечных панелей от 12 до 15 лет. При грамотном уходе они прослужат дольше

Виды солнечных устройств

Опытным путем доказано, что некоторые вещества способны более интенсивно реагировать на воздействие фотонов. Поэтому технология изготовления солнечных панелей различна.

Гелиоустройства для бытового применения делятся на 2 главенствующих вида:

• Фотоэлектрические преобразователи (кремниевые и пленочные). Представляют собой группы последовательно или параллельно соединенных друг с дружкой фотоэлементов, превращающих солнечное излучение в электричество. Собранные в единую полупроводниковую систему элементы называются солнечной панелью, которая поставляет энергию электрозависимым устройствам обогрева.
• Солнечные коллекторы (плоские, вакуумные или трубчатые, коллекторы-концентраторы или зеркальные). Это самый распространенный в быту тип, принимающий солнечную энергию и передающий ее в систему отопления в виде электроэнергии ли подогретого теплоносителя.

Кроме перечисленных типов есть гелиостанции, производящие энергию в промышленных масштабах. Для частника они могут служить централизованным поставщиком энергии.

Система отопления с солнечными коллекторами предусматривает расход энергии сразу после ее получения

Устройство фотоэлектрических преобразователей

Принцип работы фотоэлектрических преобразователей основан на конвертации солнечной энергии в электрический ее тип. Выпускают их в виде модулей на алюминиевой рамке или на гибком полимерном полотне.

В первом случае верх модуля защищается высокопрочным стеклом, а низ изоляционной пленкой. В втором случае обе защитные оболочки выполняются из полимеров.

Фотоэлектрические элементы соединяются посредством токопроводящих шин, функция которых заключается в передаче энергии аккумулятору или потребителю. К шинам подключаются контакты, служащие для соединения отдельных батарей в целостную систему и для подключения к потребителям.

Принцип действия фотоэлектрических преобразователей основан на способности элементов преобразовывать солнечную энергию в электрическую

С ориентиром на организацию атомов кремния солнечные батареи делятся на:

• Монокристаллические. Снабжаемые наиболее чистым кремнием, технология производства которого давно применяется в изготовлении полупроводников. Суть производства заключается в искусственном выращивании монокристалла, который в итоге разрезают на пластины 0,2 — 0,4 мм толщиной. Это и есть ячейки будущей батареи, которых потребуется 36 штук.
• Поликристаллические . В изготовлении используются пластины, полученные из расплавленного кремния после его медленного охлаждения. Энергии и трудовых усилий технология требует меньше, потому стоят солнечные батареи с поликристаллами гораздо меньше. Обычно у таких батарей стандартный ярко-синий цвет.
• Из аморфного кремния. Технология их производства ориентирована на принцип испарительной фазы. В результате процесса испарения на несущем элементе оседает тоненькая пленка кремния, которую сверху обволакивают прозрачным защитным покрытием. Эту категорию солнечных батарей называют тонкопленочной, устанавливают на стены домов.

Монокристаллические батареи наиболее производительны. В зависимости от модели и от изготовителя КПД их варьирует в интервале 14 – 17 %. Поликристаллические проигрывают им по критериям эффективности, КПД их в среднем 10 – 12%.

Самые малопроизводительные системы – гелиобатареи на аморфном кремнии. Они рассчитаны на переработку рассеянного излучения, устанавливаются на стены домов в качестве дополнения к расположенным на крыше более мощным системам. КПД в пределах 5 – 6%.

Поликристаллические варианты солнечных батарей — среднее предложение в отношении цены и производительности

Опираясь на данные, полученные от ведущих производителей солнечных модулей, таких как компания «SunTech Power », становится понятно, что эффективность монокристаллов с каждым годом возрастает, и вскоре КПД может достигнуть порядка 33%.

Однако, на сегодняшний день лучшие показатели производительности принадлежат продукции компании «Sanyo ». Особенность этих панелей заключается в многослойности внешнего элемента, что значительно повышает эффективность, а КПД гелиоколлекторов составляет 23%.

Ввиду характерной процедуры обработки кремния, структура поликристалла содержит нежелательные образования, которые мешают лучшему поглощению энергии солнца. Также, кристаллические частицы микроструктуры модуля располагаются в хаотичном порядке по отношению друг к другу, что затрудняет сублимацию энергии. Вследствие этого, КПД панели редко превышает 18%.

Иногда встречается симбиоз аморфных и поли-/ монокристаллических коллекторов. Это объясняется тем, что для нормальной работы поликристаллов требуется интенсивное солнечное освещение, в отличие от аморфных панелей. Поэтому объединение двух технологий может стать выходом из положения.

В производстве пленочных систем тоже есть ощутимые изменения. Так, на современном этапе, достаточно часто встречаются пленочные гелиомодули на основе кадмия и индия.

На каждом этапе постоянно проводится мониторинг кремневодородного покрытия, иначе возможны проблемы, связанные с работоспособностью

Доказано, что кадмий очень хорошо поглощает солнечный свет, поэтому его взяли на вооружение многие производители в сфере гелиоэнергетики. Как известно, вещество радиоактивно, но не стоит беспокоится из-за возможности облучения, т.к. доля металла не так велика, чтобы нанести хоть какой-нибудь вред атмосфере, не говоря уже о человеке.

Полупроводник индий успешно выдает 20% КПД, опережая кадмий. Ввиду того, что индий гораздо более востребован в бытовой технике, а именно на производстве ЖК телевизоров, часто производители замещают метал другим аналогом – галлием.

Пленочное гелиооборудование имеет гибкую структуру, что существенно упрощает монтаж

Говоря о преимуществах полимерных модулей и пленочных коллекторов в целом, хочется выделить довольно невысокую цену, по сравнению с кристаллическими батареями, полную безопасность и экологичность , благодаря стабильному состоянию хим. веществ. Также, к числу дополнительных плюсов можно добавить гибкость и универсальность.

Конструктивные особенности солнечных коллекторов

Самый простой вариант плоский солнечного коллектора представляет собой некий ящик-корпус, лицевой стороной которого является зачерненная металлическая поверхность. Внутри расположен змеевик, заполненный водой, смесью воды с незамерзающим средством или воздухом.

Дно и стенки ящика закрывается теплоизоляцией, необходимой сохранения полученной энергии в пределах батареи.

Металлическая пластина вкупе с трубками производят сбор и передачу нагретого теплоносителя в систему отопления. Эта часть именуется абсорбером. Чаще всего для его изготовления используют листовую медь, характеризующуюся высокой теплопроводностью.

Внешняя сторона адсорбера обязана быть интенсивно черной для максимального поглощения солнечного излучения.

Солнечные панели трубчатого типа представляют собой систему трубок или змеевик с металлической пластиной сверху

Для того чтобы от металлической поверхности адсорбера не отражались лучи, сверху устанавливается прочное прозрачное покрытие. Обычно это закаленные варианты стекла с минимальным содержанием металла.

Снаружи на него наносят особую оптическую оболочку, не излучающее тепла в инфракрасном свете. Оно способствует повышению производительности устройства, способной нагревать воду до 200ºС.

Трубчатые панели чувствительны к атмосферному негативу. После сильных осадков, в особенности града, рекомендуется тщательно проверить целостность лицевого покрытия коллектора.

Разносимая ветром листва, пыльная взвесь и обломки веток также могут повредить поверхность. Царапины и сколы приведут к резкому ухудшению производительности оборудования.

Есть несколько вариантов устройства солнечных панелей, т.к. в ходе эксплуатации разработчики постепенно устраняли недостатки

Вакуумная разновидность оснащена многослойной трубкой, сконструированной по принципу термоса. Подобная система позволяет на 95 % лучше предыдущих моделей сохранять тепло.

В нижней части многослойной трубки есть жидкость, которая при нагревании солнцем превращается в пар. Вверху этой своеобразной запаянной колбы вмонтирован конденсатор. Достигая его пар конденсируется и транспортирует в систему тепло.

Гелиопанели, работающие по вакуумному принципу, эффективней обычных трубчатых в областях с незначительным количество солнечных дней.

Коллекторы концентраторы оснащаются устройством с зеркальной поверхностью, которая фокусирует полученную ею энергию на поверхность абсорбера. Площадь зеркала больше, чем тот же размер абсорбера, благодаря чему увеличивается эффективность приема солнечной энергии. Зеркальный элемент вообще можно сконцентрировать на точке или тонкой линии без малейшей потери в производительности.

За счет устройства теплоприемной трубки по принципу термоса производительность прибора увеличивается почти в два раза

Минус концентраторов в том, что воспринимать они могут лишь прямое излучение. Потому последние разработки оснащаются поворотными следящими устройствами с целью устранения или сокращения влияния этого недостатка оснащаются.

Следящие приспособления заставляют коллектор поворачиваться вслед за движением светила, чтобы собрать все его лучи.

Это самая эффективная разновидность коллекторных гелиопанелей, позволяющая нагревать теплоноситель до максимальной по сравнению с другими температуры. Правда, хорошо работают они в пустынных областях, стоят немало, из-за чего востребованы в основном производственными организациями.

Солнечный коллектор-концентратор работает, фокусируя солнечную энергию на абсорбере, имеющем меньшую площадь

Интересным новым решением стала сферическая коллекторная конструкция, улавливающая буквально все возможные к восприятию ею лучи. Ее не нужно оборудовать поворотным механизмом, кстати, энергозависимым и требующим подключения к питающей сети.

Сферическая конструкция отличается от обычного тем, что состоит не из отдельных трубок, подключенных к приемному и выходному патрубку, а из единого винтового теплоприемника.

Заполняется змеевик-приемник технической водой, которая при нагревании передвигается вверх по винтовому пути и выходит нагретым в выходной патрубок, а оттуда в систему отопления.

После охлаждения теплоноситель вновь возвращается из отопительного контура к входному патрубку сферического коллектора. Процесс повторяется.

Сферическая форма позволяет полный световой день принимать солнечные лучи без применения поворотных механизмов

Существенный плюс сферической системы в том, что нагревание проистекает весь световой день. Его не надо оборудовать поворотными механизмами, нуждающимися в электропитании. Благодаря винтовой схеме он отличается минимальными потерями энергии в трубопроводе.

Все виды гелиоколлекторов относятся к разряду сезонных вспомогательных систем получения энергии. В зависимости от модели их внутренний трубопровод может вмещать в себя до 200 л жидкости, а минимальное количество, используемое в вакуумных модулях, составляет около 60 литров.

Инструкция по монтажу гелиобатарей

Панели, относящиеся к классу «плоских», желательно устанавливать в летний сезон, когда уровень инсоляции выше. Это будет оптимальным вариантом соотношения цены и получаемой энергии, а значит покупка таких гелиоколлекторов полностью оправдает все затраченные средства.

Так или иначе, энергетический потенциал оборудования позволяет ему использоваться в системах горячего водоснабжения и отопления.

Процесс преобразования энергии крайне чувствителен к перепадам температур. Это стоит учитывать во время монтажа. Первым делом нужно убедится в том, что жилище тщательно утеплено, иначе могут происходить непредвиденные сбои в работе системы.

Система отопления с солнечными панели представляет собой замкнутый контур с циркулирующим по нему теплоносителем

Для каждого региона предусмотрен оптимальный вариант монтажа оборудования. Расчет производится на степени все той же инсоляции. Согласно правилам использования, коллектор необходимо располагать так, чтобы угол падения солнечных лучей на его поверхность составлял 90 градусов.

Только в этом случает КПД от работы системы будет максимальным. Добиться абсолютной точности при монтаже панелей можно посредством измерения широты местности.

Важным фактором будет направление, в котором располагаются панели. Вследствие того, что наибольший уровень мощности достигается преимущественно в середине дня, стоит ориентированно располагать панели в южном направлении. Допускаются некоторые отклонения в процессе монтажа, в восточном или западном направлении, но не слишком.

Кроме того, часто снижение эффективности наблюдается на фоне попадания тени от деревьев на панель коллектора. Зимой рекомендуется повышать угол наклона гелиопанелей, это улучшит уровень производительности системы.

Шаг #1. Выбор угла наклона

Эффективность коллекторов в первую очередь зависит от угла расположения панели по отношению к горизонтальной поверхности. Для оптимального светопоглощения рекомендуется сохранять наклон в районе 45 градусов.

Оптимальный угол наклона солнечной панели зависит от сезона. Хорошо, если прибор будет оснащен устройством для корректировки угла

Азимут необходимо сохранять на отметке в 0 градусов (прямое направление на Юг). Разрешены некоторые отклонения в 30-40 градусов для лучшей инсоляции. Для увеличения жесткости, существует спец. конструкции из алюминия.

Это в первую очередь характерно для установки коллекторов на крышу наклонного типа. Они предотвратят изменение установленных параметров, вследствие погодных явлений, а быстрая скорость монтажа, с использованием крепежных крюков и профилей, сэкономит время.

Шаг #2. Сооружение первичного контура

На первом этапе происходит монтаж всех компонентов отопления: бойлеры, компрессоры, теплопроводники и т.д. Для удобства рекомендуется располагать элементы системы в легкодоступном месте. При монтаже расширительного бака, следует учитывать отсутствие препятствий между ним и коллекторами.

Температура внутри бака измеряется при помощи температурного датчика. Его следует крепить к нижней части резервуара.

Следующим этапом станет организация системы вентилирования. При монтаже контура необходимо создать воздухоотвод , выходящий из расширительного бака. Лучшим решением будет вывести коммуникацию на крышу. Это поспособствует регуляции перепадов давления внутри отопительной системы.

Солнечные панели — часть системы отопления, которая должна кроме них включать бойлеры, центробежные насосы, трубопровод и т.д.

Процесс движения жидкости внутри ГВС зависит от циркуляционного насоса. Его рекомендуется использовать только для систем с закрытым типом водяного контура. Кроме того, для удобства смены жидкости, расширительный бак должен быть снабжен системой слива. Для этого подойдет монтаж крана где-нибудь в нижней части устройства.

Шаг #3. Разбираемся в особенностях эксплуатации

Гелиосистема работает от сети в 220 в. Каждая модель имеет уникальную схему подключения, которая поставляется в комплекте.

Проводка должна быть тщательно заизолирована, а терморегуляторы и всевозможные реле необходимо располагать в исключительно сухом месте (для лучшей герметичности рекомендуется защитить оборудование гидрофобным материалом).

Обязательно убедитесь в том, что к системе подключено заземление. Это убережет от ситуаций опасных для жизни.

Шаг #4. Выбор способа соединения элементов

Спайку медных контуров и электрических деталей нужно производить с использованием специальной паяльной пасты. Перед этим нужно произвести очистку стыков. Лучше это делать стальной щеткой.

Элементы, ведущие к распределительному баку (трубы, змеевики) приваривают, либо прикручивают, предварительно нарезав резьбу. Важно понимать, что труба с охлажденной жидкостью должна подходить к нижней части бака, а с горячей — к верхней.

Шаг #5. Установка солнечных батарей

Подготовительный этап: что необходимо приготовить для монтажа.

Галерея изображений

Далее следует процесс установки солнечных батарей. Инструкция для монтажа 2 панелей подходит для крепления любого количества солнечных коллекторов: принцип монтажа не меняется. Главное — найти площадь для установки.

Галерея изображений

В качестве подходящего места выбран фасад – сторона, выходящая на южную сторону, то есть максимально освещенная солнцем

Отделка здания – мягкий сайдинг, поэтому для монтажа потребуется дополнительная подставка. Раму из алюминиевого профиля необходимо сделать по размерам солнечных батарей

Алюминий достаточно легок, чтобы не повредить фасадную облицовку, и прочен, чтобы выдержать вес панелей – 2 штуки по 8 кг

Для подъема панелей под крышу достаточно обыкновенной приставной лестницы, но во время установки необходимо соблюдать правила техники безопасности

Для упрощения процедуры крепления лучше воспользоваться помощью второго человека: один крепко держит панель, второй ее прикручивает

После установки обеих панелей следует еще раз проверить прочность всех крепежей, так как сооружение будет испытывать на себе нагрузку во время сильного ветра и дождя

Последний этап — тестирование системы.

Выводы и полезное видео по теме

Применение солнечных панелей в автономных коммуникационных системах:

Демонстрация продукции одного из лидеров производства солнечных батарей:

Принцип устройства и работы вакуумного коллектора:

Гелиоэнергетика ежегодно улучшает показатели в преобразовании солнечной энергии. Разработчики уже сейчас могут предложить огромный выбор коллекторов плоского и трубчатого типа, с использованием кварцевого напыления или монокристаллические модули. Все это постепенно актуализирует альтернативные источники энергии, вследствие чего солнечная энергия скоро станет доступна каждому.

В последние годы ученых особенно интересуют альтернативные источники энергии. Нефть и газ рано или поздно закончатся, поэтому подумать о том, как мы будем выживать в этой ситуации, приходится уже сейчас. В Европе активно используются ветряки, кто-то пытается извлечь энергию из океана, а мы поговорим о солнечной энергии. Ведь звезда, которую мы практически каждый день видим в небе, может помочь нам сберечь и улучшить экологическую обстановку. Значение солнца для Земли трудно переоценить - оно дает тепло, свет и позволяет функционировать всему живому на планете. Так почему бы не найти ему еще одно применение?

Немного истории

В середине 19 века физик Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. А к концу столетия Чарльз Фриттс создал первый прибор, способный перерабатывать солнечную энергию в электричество. Для этого использовался селен, покрытый тонким слоем золота. Эффект был слабым, но именно это изобретение зачастую связывают с началом эры солнечной энергии. Некоторые ученые не согласны с такой формулировкой. Они называют родоначальником эры солнечной энергии всемирно известного ученого Альберта Эйнштейна. В 1921 году он получил Нобелевскую премию за объяснение законов внешнего фотоэффекта.

Казалось бы, солнечная энергия - это перспективный путь развития. Но существует немало препятствий для того, чтобы она вошла в каждый дом - в основном, экономических и экологических. Из чего складывается стоимость солнечных батарей, какой вред они могут нанести окружающей среде и какие еще существуют способы получения энергии, узнаем ниже.

Способы накопления

Самой актуальной задачей, связанной с приручением энергии солнца, является не только ее получение, но и аккумуляция. И именно это является самым сложным. В настоящее время учеными было разработано только 3 способа полноценного приручения солнечной энергии.

Первый основан на использовании параболического зеркала и немного напоминает игру с лупой, которая всем знакома с детства. Сквозь линзу свет проходит, собираясь в одной точке. Если в этом месте положить кусочек бумаги, она загорится, поскольку температура скрещенных солнечных лучей невероятно высока. Параболическое зеркало представляет собой вогнутый диск, напоминающий неглубокую чашу. Это зеркало, в отличие от лупы, не пропускает, а отражает солнечный свет, собирая его в одной точке, которая обычно направлена на черную трубу с водой. Такой цвет используют потому, что он лучше всего поглощает свет. Вода в трубе под действие солнечных лучей нагревается и может использоваться для получения электричества или для отопления небольших домов.

Плоский нагреватель

В этом способе используется совсем другая система. Приемник солнечной энергии выглядит как многослойная конструкция. Принцип его работы выглядит так.

Проходя через стекло, лучи попадают на затемненный металл, который, как известно, лучше поглощает свет. Солнечная радиация превращается в и нагревает воду, которая находится под железной пластиной. Далее все происходит как в первом способе. Нагретую воду можно использовали либо для отопления помещений, либо для получения электрической энергии. Правда, эффективность такого метода не настолько высока, чтобы использовать его повсеместно.

Как правило, полученная таким образом солнечная энергия - это тепло. Для получения электричества гораздо чаще используют третий способ.

Солнечные элементы

Больше всего мы знакомы именно с таким способом получения энергии. Он подразумевает использование различных батарей или солнечных панелей, которые можно встретить на крышах многих современных домов. Такой способ сложнее ранее описанных, но является намного более перспективным. Именно он дает возможность преобразования энергии солнца в электричество в промышленных масштабах.

Специальные панели, предназначенные для улавливания лучей, делают из обогащенных кристаллов кремния. Солнечный свет, попадая на них, сбивает электрон с орбиты. На его место тут же стремится другой, таким образом получается непрерывная подвижная цепочка, которая и создает ток. Он при необходимости сразу используется для обеспечения приборов или накапливается в виде электроэнергии в специальных аккумуляторах.

Популярность этого способа обоснована тем, что он позволяет получить более 120 Вт всего с одного квадратного метра солнечной батареи. При этом панели имеют сравнительно небольшую толщину, что позволяет размещать их практически везде.

Типы кремниевых панелей

Существует несколько видов солнечных батарей. Первые выполнены с использованием монокристаллического кремния. Их коэффициент полезного действия составляет примерно 15%. Такие являются наиболее дорогими.

КПД элементов, изготовленных из поликристаллического кремния, достигает 11%. Стоят они меньше, поскольку материал для них получают по упрощенной технологии. Третий тип является наиболее экономичным и отличается минимальным КПД. Это панели из аморфного кремния, то есть некристаллического. Кроме низкой эффективности, они имеют еще один существенный недостаток - недолговечность.

Некоторые производители для увеличения КПД задействуют обе стороны панели солнечной батареи - тыльную и фронтальную. Это позволяет улавливать свет в больших объемах и увеличивает количество получаемой энергии на 15-20%.

Отечественные производители

Солнечная энергия на Земле получает все большее распространение. Даже в нашей стране заинтересованы в изучении этой отрасли. Несмотря на то что в России не очень активно идет развитие альтернативной энергетики, определенных успехов удалось добиться. В настоящее время созданием панелей для получения солнечной энергии занимаются несколько организаций - в основном это научные институты различной направленности и заводы по производству электрооборудования.

1. НПФ "Кварк".
2. ОАО «Ковровский механический завод».
3. Всероссийский НИИ электрификации сельского хозяйства.
4. НПО машиностроения.
5. АО ВИЭН.
6. ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов».
7. АООТ Правдинский опытный завод источников тока «Позит».

Это только небольшая часть предприятий, принимающих активное участие в развитии альтернативной

Влияние на окружающую среду

Отказ от угольных и нефтяных источников энергии связан не только с тем, что эти ресурсы рано или поздно закончатся. Дело в том, что они сильно вредят окружающей среде - загрязняют почву, воздух и воду, способствуют развитию заболеваний у людей и снижению иммунитета. Именно поэтому альтернативные источники энергии должны быть безопасны с экологической точки зрения.

Кремний, который используется для производства фотоэлементов, сам по себе безопасен, поскольку является природным материалом. Но после его очистки остаются отходы. Именно они могут нанести вред человеку и окружающей среде при неправильном использовании.

Кроме того, на участке, полностью заставленном солнечными батареями, может нарушиться естественное освещение. Это приведет к изменениям в существующей экосистеме. Но в целом влияние на окружающую среду устройств, предназначенных для преобразования солнечной энергии, минимально.

Экономичность

Самые большие затраты по связаны с дороговизной сырья. Как мы уже выяснили, специальные панели создаются с использованием кремния. Несмотря на то что этот минерал широко распространен в природе, с его добычей связаны большие проблемы. Дело в том, что кремний, который составляет более четверти массы земной коры, не подходит для производства солнечных батарей. Для этих целей пригоден только чистейший материал, получаемый промышленным способом. К сожалению, из песка получить чистейший кремний крайне проблематично.

По цене данный ресурс сравним с ураном, использующимся на АЭС. Именно поэтому стоимость солнечных батарей в настоящее время остается на довольно высоком уровне.

Современные технологии

Первые попытки приручить солнечную энергию появились достаточно давно. С тех пор многие ученые активно заняты поисками максимально эффективного оборудования. Оно должно быть не только экономически выгодным, но также компактным. Его КПД должен стремиться к максимуму.

Первые шаги к идеальному прибору для получения и преобразования солнечной энергии были сделаны с изобретением кремниевых батарей. Конечно, цена достаточно высока, но зато панели могут быть размещены на крышах и стенах домов, где они никому не будут мешать. А эффективность таких батарей неоспорима.

Но лучший способ увеличить популярность солнечной энергии - сделать ее более дешевой. Немецкие ученые уже предложили заменить кремний синтетическими волокнами, которые могут быть интегрированы в ткань или другие материалы. КПД такой солнечной батареи не очень высок. Но рубашка с вкраплением синтетических волокон сможет, по крайней мере, обеспечить электроэнергией смартфон или плеер. Активно ведутся работы и в области нанотехнологий. Вероятно, именно они позволят солнцу стать наиболее популярным источником энергии уже в этом столетии. Специалисты компании Scates AS из Норвегии уже заявили, что нанотехнологии позволят сократить стоимость солнечных панелей в 2 раза.

Солнечная энергия для дома

О жилье, которое само себя будет обеспечивать, наверняка мечтают многие: нет зависимости от централизованного отопления, сложностей с оплатой счетов и вреда для окружающей среды. Уже сейчас во многих странах активно строится жилье, потребляющее только энергию, полученную из альтернативных источников. Яркий пример - так называемый солнечный дом.

В процессе строительства он потребует больших вложений, чем традиционный. Но зато после нескольких лет эксплуатации все затраты окупятся - не придется платить за отопление, горячую воду и электричество. В солнечном доме все эти коммуникации привязаны к специальным фотоэлектрическим панелям, размещенным на крыше. Причем полученные таким образом энергетические ресурсы не только расходуются на текущие нужды, но и накапливаются для использования в ночное время и при пасмурной погоде.

В настоящее время строительство таких домов ведется не только в странах, приближенных к экватору, где добывать солнечную энергию проще всего. Их возводят также и в Канаде, Финляндии и Швеции.

Плюсы и минусы

Развитие технологий, позволяющих повсеместно использовать солнечную энергию, могло бы вестись более активно. Но существую определенные причины, по которым это все еще не является приоритетной задачей. Как мы уже говорили выше, при производстве панелей вырабатываются вредные для окружающей среды вещества. Кроме того, готовое оборудование содержит в своем составе галлий, мышьяк, кадмий и свинец.

Немало вопросов вызывает и необходимость утилизации фотоэлектрических панелей. Через 50 лет работы они станут непригодными для службы, и их придется каким-то образом уничтожать. Не нанесет ли это колоссальный вред природе? Стоит также учитывать, что солнечная энергия - это непостоянный ресурс, эффективность получения которого зависит от времени суток и погоды. А это является существенным недостатком.

Но и плюсы, конечно, есть. Солнечную энергию можно добывать практически в любой точке Земли, а оборудование для ее получения и преобразования может быть настолько маленьким, что поместится на тыльной стороне смартфона. Что еще немаловажно, это возобновляемый ресурс, то есть количество солнечной энергии будет оставаться неизменным еще как минимум тысячи лет.

Перспективы

Развитие технологий в области солнечной энергетики должно привести к снижению затрат на создание элементов. Уже сейчас появляются стеклянные панели, которые могут быть установлены на окнах. Развитие нанотехнологий позволило изобрести краску, которая будет напыляться на солнечные батареи и сможет заменить кремниевый слой. Если стоимость солнечной энергии действительно снизится в несколько раз, ее популярность также вырастет многократно.

Создание маленьких панелей для индивидуального применения позволит людям в любых условиях использовать солнечную энергию - дома, в машине или даже за городом. Благодаря их распространению снизится нагрузка на централизованные электросети, поскольку люди смогут самостоятельно зарядить мелкую электронику.

Специалисты компании Shell полагают, что к 2040 году около половины энергии в мире будет создаваться за счет возобновляемых ресурсов. Уже сейчас в Германии потребление солнечной энергии активно растет, а мощность батарей составляет более 35 Гигаватт. Япония также активно развивает эту отрасль. Две эти страны - лидеры потребления солнечной энергии в мире. Вероятно, скоро к ним присоединятся и Соединенные Штаты.

Другие альтернативные источники энергии

Ученые не перестают ломать голову над тем, что еще можно использовать для получения электричества или тепла. Приведем примеры наиболее перспективных альтернативных источников энергии.

Ветряки сейчас можно встретить практически в любой стране. Даже на улицах многих российских городов устанавливают фонари, которые сами обеспечивают себя электричеством за счет энергии ветра. Наверняка их себестоимость выше средней, но зато со временем они эту разницу возместят.

Достаточно давно была придумана технология, позволяющая получать энергию, используя разницу температур воды на поверхности океана и на глубине. Китай активно собирается развивать это направление. В ближайшие годы у берегов Поднебесной собираются построить крупнейшую электростанцию, работающую по этой технологии. Существуют и другие способы использования моря. Например, в Австралии планируют создать электростанцию, генерирующую энергию из силы течений.

Есть и многие другие или тепла. Но на фоне многих других вариантов солнечная энергия - это действительно перспективное направление развития науки.

Областей применения солнечных батарей становится все больше с каждым днем. Эти устройства с успехом проявляют себя в сфере промышленности, сельского хозяйства, военно-космических отраслях и даже в быту. Чтобы понять, насколько обширно использование солнечных батарей, давайте совершим небольшое виртуальное турне по нашему необъятному миру.

Там, куда электричество никак не дойдет
К сожалению, линии электропередач, опутавшие большую часть нашей планеты, всё ещё не могут добраться в самые труднодоступные уголки, которые подключать к ресурсам электростанций оказывается дороже, чем установить солнечную батарею, преобразующую в электроэнергию обычный дневной свет.

Солнечные батареи обеспечивают электроэнергией прибайкальскую метеостанцию на склонах Хамар-Дабан

Как Вы думаете решают вопрос отсутствия электроэнергии в некоторых отрезанных от цивилизации домах? Устанавливать электростанцию на жидком или твердом топливе оказывается дороже и ущербнее для окружающей экологии, чем использовать солнечные батареи. Чаще всего ими укрывают крыши домов, так что в солнечный день они вырабатывают электричество, которого достаточно и для освещения и работы бытовых устройств. А специальный проект в Испании оказался ещё успешнее. Из экономических соображений ряд современных домов был оборудован солнечными батареями, энергия которых используется для нагрева воды. Оказавшись отключенными от электричества, дефицит горячей воды и проблема с отоплением им не грозит.

Дом с солнечными батареями на крыше не подвержен перепадам в электросети

Что интересно, такими панелями можно оборудовать практически любой дом, например, дачу или домик в деревне, к которой не подведен "свет". Дабы удостовериться в этом, специалисты провели эксперимент, в котором водрузили солнечную батарею "AP-640" на крышу одного из домов. Результат — автономное освещение внутри и работа нескольких электрозависимых устройств (телевизор, холодильник и т.п.).

Солнечные батареи AP-640 решают проблему электроснабжения домов

Аргументов в пользу солнечных электростанций не счесть, но основным из них является экологичность. Примером, где отсутствие вредных выбросов солнечными батареями в окружающую среду сделало их альтернативой традиционными источникам электроэнергии, стала солнечная электростанция, расположенная недалеко от испанского местечка Севильи. Солнечные батареи водрузили на башню, на которую направили зеркала, отражающие и фокусирующие свет. Довольными остались около 10 тысяч близлежащих домохозяйств, которые снабжаются электроэнергией, преобразованной из света от солнца.

Самая крупная солнечная электростанция в Испании имеет мощность в 20 мегаватт

Солнечные батареи оказались практически единственным источником электроэнергии за пределами Земли. Ими оснащаются все космические аппараты. Когда Солнце освещает их, они вырабатывают электроэнергию, которая аккумулируется бортовыми батареями и используется для питания оборудования в тех местах, где свет недосягаем. В отличие от атомных электрогенераторов они не выделяют вредных веществ.

Солнечные батареи обеспечивают электроэнергией МКС

Солнечные батареи нашли применение и в наземном транспорте. Не так давно компания Toyota стартовала продажи своей модели Prius, оборудованной гибридным двигателем. На крыше автомобиля нового поколения располагаются солнечные батареи, от которых тот при внезапно закончившемся топливе сможет проехать ещё километров 5.

Автомобиль на солнечных батареях экологически безопасен и беспрецедентно экономичен

Солнечные батареи для бытовых нужд

Встретить солнечные батареи в рознице по разумной цене становится всё проще. На глаза они попадаются, как в виде отдельных, работающих в качестве резервного источника питания устройств, так и встраиваются в различные приборы. Например, многие помнят, как в нашу жизнь вторглись калькуляторы, практически сразу получившие небольшие панели, позволяющие им работать без батареек, лишь попав на свет.

Калькулятор на солнечных батареях может работать всегда и везде, где есть свет

Разработчики устройств, которые могут работать от альтернативных источников электроэнергии пошли ещё дальше. На свет появились аккумуляторные фонарики, которые днем можно зарядить, просто положив встроенной солнечной батареей на свет, а в темное время суток пользоваться как обычно. Получается, по сути, универсальный спутник для путешествий, способный придти на помощь там, куда не добрался электрический ток. Не менее интересным оказался проект корейской компании Samsung, представившей на свет свой недорогой мобильник E1107 Crest Solar, задняя стенка которого получила небольшую солнечную панель, которой достаточно, чтобы пополнять заряд аккумулятора без подключения к сети. При положительном балансе на счету и в зоне действия операторов без связи с этим телефоном остаться просто невозможно.

Внешняя солнечная батарея для питания мобильных телефонов и других компактных устройств

А как часто вам приходилось скучать во время загородного отдыха или туристического похода без музыки или света в палатке, выбросив батарейки, которые исчерпали свой электрический заряд? Конечно, карманные солнечные батареи вряд ли помогут в этом, но вот более крупные модели вполне. Такими переносными солнечными электростанциями очень часто оснащаются походные сумки и рюкзаки, а стоят они ненамного дороже обычных моделей, без которых не обходится ни один туристический поход.

На сегодняшний день применение солнечных батарей не имеет границ. С каждым днем все чаще они успешно применяются в самых разнообразных областях промышленности, в сельском хозяйстве, военно-космической отрасли и даже в повседневной жизни людей. Для того чтобы понять насколько обширно на сегодняшний день использование солнечных батарей в России, необходимо совершить интересное путешествие по нашему огромному миру.

1. Освещение на солнечных батареях

На сегодняшний день весьма распространено уличное освещение на солнечных батареях. Такие светильники все чаще появляются на страницах по ландшафтному дизайну. Довольно часто они встречаются в садах знаменитостей и на дачных участках простых людей.

Изначально использование солнечных батарей планировалось исключительно в военных целях в космической промышленности. Еще совсем недавно такие панели относились к фантастике и использовались исключительно в космонавтике, а обычные люди могли наблюдать такие устройства только в фильмах о будущем. Однако прошло время, и сегодня такие технологии уже не являются роскошью. В наши дни освещение на солнечных батареях – это не только красиво, доступно и экологически безопасно, но и крайне выгодно.

Сегодня по всему миру стартуют проекты по освещению улиц при помощи солнечной электроэнергии. В России производство солнечных батарей постоянно увеличивает и набирает обороты, создаются даже электростанции на солнечных батареях. Перспективы этой отрасли весьма и весьма велики и дальновидны.

2. Электричество от солнечных батарей там, где нет линий электропередач

К сожалению, современные линии электропередач, которые опутали большую часть всей планеты, даже на сегодняшний день еще не добрались до некоторых труднодоступных уголков. Некоторые места нашей необъятной страны подключить к электростанции крайне дорого и не выгодно. Именно в таких случаях электричество от солнечных батарей является настоящим спасением. В таких местах установка солнечной батареи является наиболее целесообразным и выгодным решением.

Еще одна отрасль, в которой весьма успешно используются солнечные батареи – это автомобилестроение. Создаются новые гибридные автомобили на солнечных батареях. К примеру, Toyota Prius оснащена гибридным мотором, а на крыше автомобиля установлена солнечная батарея. В случае если топливо заканчивается, автомобиль способен проехать еще 5 км от этой батареи. Показатель, конечно, не особо высок, но эти технологии еще совсем новые и постоянно развиваются. Создаются автомобили, которые способны работать на таких батареях гораздо дольше. При этом они являются экологически безопасными и беспрецедентно экономичными.

Помимо этого только при помощи солнечной энергии и солнечных батарей разрешаются вопросы об энергообеспечении в некоторых отрезанных от цивилизации домах. Как правило, установка солнечных батарей существенно выгоднее, нежели использование генераторов на жидком либо твердом топливе. В подавляющем большинстве случае солнечные батареи устанавливают на крышах домов и соединяют с системой аккумулирования энергии. Таким образом, в солнечные дни энергия от солнечных батарей заряжает аккумуляторы и питает бытовые приборы, а в ночное время и в облачные дни питание осуществляется от аккумуляторов.

Помимо этого в Испании широкое применение получили обогреватели на солнечных батареях. Из экономических соображений множество домов в Испании были оборудованы солнечными батареями, которые использовались для нагрева воды, благодаря чему в момент отключения электричества люди все равно будут снабжены горячей водой и отоплением помещений.

3. Эксплуатация солнечных батарей в быту

В первую очередь стоит отметить, что дом, который оснащен солнечными батареями, не подвергается перепадам напряжения в электросети. Самое интересное, что данными панелями можно оснастить абсолютно любой дом, к примеру, дачу, либо домик в лесу или деревне. Такие установки вполне способны питать освещение дома или некоторые бытовые приборы, такие как телевизор или холодильник.

Что можно сделать из солнечной батареи? Ответ на этот вопрос очень прост. На сегодняшний день мировые производители электроники и бытовых приборов уже начинают внедрять солнечные панели в свою продукцию. К примеру, каждый в своей жизни сталкивался с обычным калькулятором, работающим от солнечной энергии. Помимо этого, в современном мире существует масса полезных приборов, которые оснащены небольшой солнечной панелью. Это различные зарядные устройства для мобильных телефонов и аккумуляторов, фонарики, светильники, мобильные телефоны и так далее. Потенциал огромен и не имеет границ.

Применение солнечных батарей в быту и в промышленности имеет массу преимуществ, но главное – это экологичность.

4. Солнечные батареи и их применение в промышленности

На сегодняшний день наибольший опыт использования солнечных батарей имеют такие страны как: США, Испания, Германия, Объединенные Арабские Эмираты, Украина и другие страны Европы. Распространение альтернативных источников энергии в этих странах объясняется нехваткой основных теплоносителей (нефть или газ).

В России развитие солнечной энергетики только развивается и набирает обороты. Создаются электростанции, которые питают как промышленные комплексы, так и жилые дома.

Среди множества преимуществ солнечной электроэнергии первым делом стоит отметить тот факт, что такое оборудование во время всего срока использования генерирует существенно больше энергии, нежели было затрачено на его изготовление. К примеру, самые распространенные кремниевые солнечные батареи, которые работают в Испании, возвращают потраченную энергию на их изготовление уже в первые 2 года. При этом срок их службы составляет не менее 20 лет.

Еще одно преимущество солнечных панелей заключается в том, что для массовой генерации электроэнергии не нужно занимать много полезного и, как правило, дорогостоящего пространства. Солнечные батареи можно устанавливать на крыши домов и фасады зданий.

С технической стороны главное преимущество таких систем заключается в полном отсутствии расходных материалов, а также в отсутствии необходимости применять любые виды топлива. Помимо этого в таких системах нет движущихся элементов, которые вырабатывают много шума и быстро изнашиваются. Они не нуждаются в постоянном техническом обслуживании и ремонте.

Таким образом, электроснабжение от солнечных батарей является выгодным с любой точки зрения.

5. Солнечные батареи. Экономия электроэнергии: Видео

Солнце – это неисчерпаемый источник энергии. Его можно использовать, сжигая деревья или нагревая воду в солнечных нагревателях, преобразуя полученное тепло в электроэнергию. Но есть устройства, превращающие солнечный свет в электричество напрямую. Это солнечные батареи.

Сфера применения

Есть три направления использования солнечной энергии:

• Экономия электроэнергии. Солнечные панели позволяют отказаться от централизованного электроснабжения или уменьшить его потребление, а также продавать излишки электричества электроснабжающей компании.
• Обеспечение электроэнергией объектов, подведение к которым линии электропередач невозможно или невыгодно экономически. Это может быть дача или охотничий домик, находящийся далеко от ЛЭП. Такие устройства используются также для питания светильников в отдаленных участках сада или автобусных остановках.
• Питание мобильных и переносных устройств. При походах, поездках на рыбалку и других подобных мероприятиях есть необходимость зарядки телефонов, фотоаппаратов и прочих гаджетов. Для этого также используются солнечные элементы.

Солнечные батареи удобно применять там, куда нельзя подвести электричество

Принцип работы

Элементы солнечных батарей представляют собой пластинки из кремния толщиной 0,3 мм. Со стороны, на которую попадает свет, в пластину добавлен бор. Это приводит к появлению избыточного количества свободных электронов. С обратной стороны добавлен фосфор, что приводит к образованию «дырок». Граница между ними называется p-n переход. При попадании света на пластину, он «выбивает» электроны на обратную сторону. Так появляется разность потенциалов. Вне зависимости от размера элемента, одна ячейка развивает напряжение 0,7 В. Для увеличения напряжения, их соединяют последовательно, а для повышения силы тока – параллельно.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

В некоторых конструкциях, для увеличения мощности, над элементами устанавливались линзы или использовалась система зеркал. С уменьшением стоимости батарей такие устройства стали неактуальными.

Максимальный КПД панели, а, следовательно, и мощность, достигается при падении света под углом 90 градусов. В некоторых стационарных устройствах батарея поворачивается вслед за солнцем, но это сильно удорожает и утяжеляет конструкцию.

Принцип работы солнечной батареи

Преимущества и недостатки применения батарей

У солнечных панелей, как и у любых устройств, есть достоинства и недостатки, связанные с принципом действия и особенностями конструкции.

Достоинства солнечных батарей:

• Автономность. Позволяют обеспечить электроэнергией удаленные здания или светильники и работу мобильных устройств в походных условиях.
• Экономичность. Для выработки электроэнергии используется свет солнца, за который не нужно платить. Поэтому ФЭС (фотоэлектрические системы) окупаются за 10 лет, что меньше срока службы, составляющего более 30. Причем 25–30 лет – это гарантийный срок, а фотоэлектростанция будет работать и после него, принося прибыль владельцу. Конечно, необходимо учесть периодическую замену инверторов и аккумуляторных батарей, но все равно, использование такой электростанции помогает экономить средства.
• Экологичность. При работе устройства не загрязняют окружающую среду и не шумят, в отличие от электростанций, работающих на других видах топлива.

Кроме достоинств, у ФЭС есть недостатки:

• Высокая цена. Такая система стоит довольно дорого, особенно с учетом цены на аккумуляторные батареи и инверторы.
• Большой срок окупаемости. Средства, вложенные в фотоэлектростанцию, окупятся только через 10 лет. Это больше, чем основная масса других вложений.
• Фотоэлектрические системы занимают много места – всю крышу и стены здания. Это нарушает дизайн сооружения. Кроме того, аккумуляторные батареи большой емкости занимают целую комнату.
• Неравномерность выработки электроэнергии. Мощность устройства зависит от погоды и времени суток. Это компенсируется установкой аккумуляторных батарей или подключением системы к сети. Это позволяет в хорошую погоду днем продавать излишки электроэнергии электрокомпании, а ночью наоборот подключать оборудование к централизованному электроснабжению.

Технические характеристики: на что обратить внимание

Главным параметром фотоэлементной системы является мощность. Напряжение такой установки достигает максимума при ярком свете и зависит от количества соединенных последовательно элементов, которое почти во всех конструкциях равно 36. Мощность зависит от площади одного элемента и количества цепочек по 36 штук, соединенных параллельно.

Кроме самих батарей, важно подобрать контроллер зарядки аккумуляторов и инвертор, преобразующий заряд аккумуляторных батарей в напряжение сети, а также сами панели.

В аккумуляторных батареях есть допустимый ток зарядки, который нельзя превышать, иначе система выйдет из строя. Зная напряжение аккумуляторов, легко определить мощность, необходимую для зарядки. Она должна быть больше мощности солнечной электростанции, иначе в солнечный день часть энергии окажется неиспользованной.

Контроллер обеспечивает заряд аккумуляторов и также должен иметь мощность, позволяющую полностью использовать энергию солнца.

К инвертору подключается оборудование, получающее энергию от ФЭС, поэтому его мощность должна соответствовать суммарной мощности электроприборов.

Виды солнечных батарей

Кроме размера и мощности, панели отличаются способом, которым изготавливаются из кремния отдельные элементы.

Внешний вид моно- и поликристаллических панелей

Элементы из монокристаллического кремния

Элементы солнечных батарей, изготовленные из монокристаллического кремния, имеют форму квадрата с закругленными углами. Это связано с технологией изготовления:

• из расплавленного кремния высокой степени очистки выращивается кристалл цилиндрической формы;
• после остывания у цилиндра обрезаются края, и основание из круга принимает форму квадрата с закругленными углами;
• получившийся брусок разрезается на пластины толщиной 0,3 мм;
• в пластины добавляются бор и фосфор и на них наклеиваются контактные полоски;
• из готовых элементов собирается ячейка батареи.

Готовая ячейка закрепляется на основании и закрывается стеклом, пропускающим ультрафиолетовые лучи или ламинируется.

Такие устройства отличаются самым высоким КПД и надежностью, поэтому устанавливаются в важных местах, например, в космических аппаратах.

Фотоэлементы из мульти-поликристаллического кремния

Кроме элементов из цельного кристалла, есть устройства, в которых фотоэлементы изготавливаются из поликристаллического кремния. Технология производства похожа. Основное отличие в том, что вместо кристалла круглой формы используется прямоугольный брусок, состоящий из большого количества мелких кристаллов различных форм и размеров. Поэтому элементы получаются прямоугольной или квадратной формы.

В качестве сырья берутся отходы производства микросхем и фотоэлементов. Это удешевляет готовое изделие, но ухудшает его качество. Такие устройства имеют меньший КПД – в среднем 18% против 20–22% у монокристаллических батарей. Однако вопрос выбора достаточно сложный. У разных производителей цена одного киловатт мощности монокристаллических и поликристаллических панелей может быть одинаковой или в пользу любого вида устройств.

Фотоэлементы из аморфного кремния

В последние годы распространение получили гибкие батареи, которые легче жестких. Технология их изготовления отличается от технологии изготовления моно- и поликристаллических панелей – на гибкую основу, обычно стальной лист, напыляются тонкие слои кремния с добавками до достижения необходимой толщины. После этого листы разрезаются, к ним приклеиваются токопроводящие полоски и вся конструкция ламинируется.

Солнечные батареи из аморфного кремния

КПД таких батарей примерно в 2 раза меньше, чем у жестких конструкций, однако, они легче и более прочные за счет того, что их можно сгибать.

Такие приборы дороже обычных, но им нет альтернативы в походных условиях, когда основное значение имеет легкость и надежность. Панели можно нашить на палатку или рюкзак, и заряжать аккумуляторы во время движения. В сложенном виде такие устройства похожи на книгу или свернутый в рулон чертеж, который можно поместить в футляр, напоминающий тубус.

Кроме зарядки мобильных устройств в походе, гибкие панели устанавливаются в электромобилях и электросамолетах. На крыше такие приборы повторяют изгибы черепицы, а если в качестве основы использовать стекло, то оно приобретает вид тонированного и его можно вставить в окно дома или теплицу.

Контроллер заряда для солнечных батарей

У прямого подключения панели к аккумулятору есть недостатки:

• Аккумулятор с номинальным напряжением 12 В будет заряжаться только при достижении напряжения на выходе фотоэлементов 14,4 В, что близко к максимальному. Это значит, что часть времени батареи заряжаться не будут.
• Максимальное напряжение фотоэлементов – 18 В. При таком напряжении ток заряда аккумуляторов будет слишком большим, и они быстро выйдут из строя.

Для того чтобы избежать этих проблем необходима установка контроллера заряда. Самыми распространенными конструкциями являются ШИМ и МРРТ.

ШИМ-контроллер заряда

Работа ШИМ-контроллера (широтно-импульсная модуляция – англ. pulse-width modulation — PWM) поддерживает постоянное напряжение на выходе. Это обеспечивает максимальную степень заряда аккумулятора и его защиту от перегрева при зарядке.

МРРТ-контроллер заряда

МРРТ-контроллер (Maximum power point tracker – слежение за точкой максимальной мощности) обеспечивает такое значение выходного напряжения и тока, которое позволяет максимально использовать потенциал солнечной батареи вне зависимости от яркости солнечного света. При пониженной яркости света он поднимает выходное напряжение до уровня, необходимого для зарядки аккумуляторов.

Такая система есть во всех современных инверторах и контроллерах зарядки

Виды аккумуляторов, используемых в батареях

Различные виды аккумуляторов, которые можно использовать для солнечной батареи

Аккумуляторы – важный элемент системы круглосуточного электроснабжения дома солнечной энергией.

В таких устройствах используются следующие виды аккумуляторов:

• стартерные;
• гелевые;
• AGM батареи;
• заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы.

Аккумуляторы других типов, например, щелочные или литиевые дорогие и используются очень редко.

Все эти виды устройств должны работать при температуре от +15 до +30 градусов.

Стартерные аккумуляторы

Самый распространенный тип аккумуляторов. Они дешевы, но обладают большим током саморазряда. Поэтому через несколько пасмурных дней батареи разрядятся даже при отсутствии нагрузки.

Недостатком таких устройств является то, что при работе происходит газовыделение. Поэтому их необходимо устанавливать в нежилом, хорошо проветриваемом помещении.

Кроме того, срок службы таких аккумуляторов до 1,5 лет, особенно при многократных циклах заряд-разряд. Поэтому в долгосрочной перспективе эти устройства окажутся самыми дорогими.

Гелевые аккумуляторы

Гелевые аккумуляторы –изделия, не требующие обслуживания. При работе отсутствует газовыделение, поэтому их можно устанавливать в жилой комнате и помещении без вентиляции.

Такие устройства обеспечивают большой выходной ток, имеют высокую емкость и низкий ток саморазряда.

Недостаток таких приборов в высокой цене и небольшом сроке службы.

AGM батареи

Эти батареи имеют небольшой срок службы, однако, у них есть много преимуществ:

• отсутствие газовыделения при работе;
• небольшими размерами;
• большим количеством (около 600) циклов заряда-разряда;
• быстрым (до 8 часов) зарядом;
• хорошей работой при неполном заряде.

AGM батарея изнутри

Заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы

Такие устройства являются самыми надежными и имеют наибольший срок службы. Они обладают низким током саморазряда и высокой энергоемкостью.

Эти качества делают такие приборы наиболее популярными для установки в фотоэлементных системах.

Как определить размер и количество фотоэлементов?

Необходимые размер и количество фотоэлементов зависит от напряжения, силы тока и мощности, которые нужно получить от батареи. Напряжение одного элемента в солнечный день равно 0,5 В. При облачности оно намного ниже. Поэтому для зарядки аккумуляторов 12 В, соединяются последовательно 36 фотоэлементов. Соответственно, для аккумуляторов 24 В необходимо 72 элемента и так далее. Общее их количество зависит от площади одного элемента и необходимой мощности.

Один квадратный метр площади батареи, с учетом КПД, может выдать приблизительно 150 Вт. Точнее можно определить по метеорологическим справочникам, показывающим количество солнечной радиации в месте установки гелиооэлектростанции или в интернете. КПД устройства указан в паспорте.

При изготовлении фотоэлектростации своими руками необходимое количество элементов определяется по мощности одного элемента в данном климате с учетом КПД.

Расчет количества солнечных батарей исходит из необходимого электричества

Эффективность солнечных батарей зимой

Несмотря на то что зимой солнце поднимается ниже, поток света уменьшается незначительно, особенно после выпадения снега.

Основных причин, по которым солнечные элементы зимой менее эффективны три:

• Меняется угол падения лучей. Для того чтобы сохранять мощность, угол наклона батареи необходимо менять хотя бы раз в сезон, а лучше каждый месяц.
• Снег, особенно влажный, налипает на поверхность устройства. Его необходимо убирать сразу после выпадения.
• Зимой меньше продолжительность светлого времени суток, а также больше пасмурных дней. Изменить это невозможно, поэтому приходится рассчитывать мощность батареи по зимнему минимуму.

Правила установки

Максимальная мощность панели достигается в положении, при котором солнечные лучи падают перпендикулярно. Это необходимо учитывать при установке. Важно также учесть, в какое время суток минимальная облачность. Если угол наклона крыши и ее положение не соответствуют требованиям, то оно исправляется регулировкой основания.

Между батареей и крышей должен быть воздушный зазор 15–20 сантиметров. Это необходимо для протекания дождя и предохранения от перегрева.

Фотоэлементы плохо работают в тени, поэтому следует избегать располагать их в тени от зданий и деревьев.

Электростанции из солнечных фотоэлементов – это перспективный экологически чистый источник энергии. Их широкое применение позволит решить проблемы с нехваткой энергии, загрязнением окружающей среды и парниковым эффектом.