Солнечная батарея — Википедия

Солнечная батарея — объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.

Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Ήλιος, Helios — Солнце). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается в разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.

В 1842 году Александр Эдмон Беккерель открыл эффект преобразования света в электричество. Чарльз Фриттс (англ. Charles Fritts) начал использовать селен для превращения света в электричество. Первые прототипы солнечных батарей были созданы итальянским фотохимиком Джакомо Луиджи Чамичаном.

25 марта 1948 года, специалисты компании Bell Laboratories заявили о создании первых солнечных батарей на основе кремния для получения электрического тока. Это открытие было произведено тремя сотрудниками компании — Кельвином Соулзером Фуллером (Calvin Souther Fuller), Дэрилом Чапин (Daryl Chapin) и Геральдом Пирсоном (Gerald Pearson). Уже через 4 года, 17 марта 1958 года, в США был запущен спутник с использованием солнечных батарей — «Авангард-1». 15 мая 1958 года в СССР также был запущен спутник с использованием солнечных батарей — «Спутник-3».

Портативная электроника[править | править код]

Зарядное устройство

Для обеспечения электричеством и/или подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники — калькуляторов, плееров, фонариков и т. п.

Электромобили[править | править код]

На крыше автомобиля Prius, 2008

Для подзарядки электромобилей.

Авиация[править | править код]

Одним из проектов по созданию самолёта, использующего исключительно энергию солнца, является Solar Impulse.

Энергообеспечение зданий[править | править код]

Солнечная батарея на крыше дома

Солнечные батареи крупного размера, как и солнечные коллекторы, широко используются в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крышах домов.

Новые дома Испании с марта 2007 года оборудованы солнечными водонагревателями, чтобы самостоятельно обеспечивать от 30 % до 70 % потребностей в горячей воде, в зависимости от места расположения дома и ожидаемого потребления воды. Нежилые здания (торговые центры, госпитали и т. д.) должны иметь фотоэлектрическое оборудование

[1].

В настоящее время переход на солнечные батареи вызывает много критики среди людей. Это обусловлено повышением цен на электроэнергию, загромождением природного ландшафта. Противники перехода на солнечные батареи критикуют такой переход, так как владельцы домов и земельных участков, на которых установлены солнечные батареи и ветровые электростанции, получают субсидии от государства, а обычные квартиросъемщики — нет. В связи с этим Федеральное министерство экономики Германии разработало законопроект который позволит в ближайшем будущем ввести льготы для арендаторов, проживающих в домах, которые обеспечиваются энергией, поступающей от фотовольтаических установок или блочных тепловых электростанций. Наряду с выплатой субсидий владельцам домов, которые используют альтернативные источники энергии, планируется выплачивать дотации проживающим в этих домах квартиросъемщикам.

[2]

Энергообеспечение населённых пунктов[править | править код]

Солнечно-ветровая энергоустановка

Дорожное покрытие[править | править код]

Солнечные батареи как дорожное покрытие:

• В 2014 году в Нидерландах открылась первая в мире велодорожка из солнечных батарей.
• В 2016 году министр экологии и энергетики Франции Сеголен Руаяль заявила о планах построить 1000 км автодорог со встроенными ударо- и термостойкими солнечными панелями. Предполагается, что 1 км такой дороги сможет обеспечивать электроэнергетические потребности 5000 людей (без учёта отопления)^{[3] [неавторитетный источник?]} .
• В феврале 2017 года в нормандской деревне Tourouvre-au-Perche французским правительством была открыта дорога из солнечных батарей. Километровый участок дороги оборудован 2880 солнечными панелями. Такое дорожное покрытие обеспечит электроэнергией уличные фонари деревни. Панели каждый год будут вырабатывать 280 мегаватт час электроэнергии. Строительство отрезка дороги обошлось в 5 миллионов евро.^[4]
• Также используется для питания автономных светофоров на дорогах^[5]

Использование в космосе[править | править код]

Солнечная батарея на МКС

Солнечные батареи — один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии.

Однако при полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой Марса) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к Венере и Меркурию, напротив, мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районе Меркурия в 6 раз).

Использование в медицине[править | править код]

Южнокорейские ученые разработали подкожную солнечную батарею. Миниатюрный источник энергии может быть вживлен под кожу человека с целью бесперебойного обеспечения работы приборов, имплантированных в тело, например, кардиостимулятора. Такая батарея в 15 раз тоньше волоса и может заряжаться, если даже на кожу наносится солнцезащитное средство

[6].

Эффективность фотоэлементов и модулей[править | править код]

Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу Земли (AM0), составляет около 1366 ватт^[7] на квадратный метр (см. также AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D^[8][9]). В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может^[10] быть менее 100 Вт/м²^{[источник не указан 1571 день]}. С помощью распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9—24 %

[источник не указан 1571 день]. При этом цена батареи составит около 1—3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВт·ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт·ч для установок в жилых зданиях^{[11][неавторитетный источник?]}.

Фотоэлементы и модули делятся в зависимости от типа и бывают: монокристалические, поликристалические, аморфные (гибкие, пленочные).

[12]

В 2009 году компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 %^[13]. В январе 2011 года ожидалось поступление на рынок солнечных элементов этой фирмы с эффективностью 39 %^[14]. В 2011 году калифорнийская компания Solar Junction добилась КПД фотоэлемента размером 5,5×5,5 мм в 43,5 %, что на 1,2 % превысило предыдущий рекорд^[15].

В 2012 году компания Morgan Solar создала систему Sun Simba из полиметилметакрилата (оргстекла), германия и арсенида галлия, объединив концентратор с панелью, на которой установлен фотоэлемент. КПД системы при неподвижном положении панели составил 26—30 % (в зависимости от времени года и угла, под которым находится Солнце), в два раза превысив практический КПД фотоэлементов на основе кристаллического кремния

[16].

В 2013 году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4×4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4 %^[17], а группа специалистов из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, компаний Soitec, CEA-Leti и Берлинского центра имени Гельмгольца создали использующий линзы Френеля фотоэлемент с КПД 44,7 %, превзойдя своё собственное достижение в 43,6 % ^{[18][неавторитетный источник?]}. В 2014 году Институт солнечных энергосистем Фраунгофер создали солнечные батареи, в которых благодаря фокусировке линзой света на очень маленьком фотоэлементе КПД составил 46 %

[19]^{[неавторитетный источник?][20]}.

В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца^[21].

Перспективным направлением является создание фотоэлементов на основе наноантенн, работающих на непосредственном выпрямлении токов, наводимых в антенне малых размеров (порядка 200—300 нм) светом (то есть электромагнитным излучением частоты порядка 500 ТГц). Наноантенны не требуют дорогого сырья для производства и имеют потенциальный КПД до 85 %^[22][23].

Также, в 2018 году, с открытием флексо-фотовольтаического эффекта, обнаружена возможность увеличения КПД фотоэлементов

[24]., а также за счёт продления жизни горячих носителей (электронов) теоретический предел их эффективности поднялся с 34 сразу до 66 процентов^[25].

В 2019 году российские учёные из Сколковского института науки и технологий (Сколтеха), Института неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) и Института проблем химической физики РАН получили принципиально новый полупроводниковый материал для солнечных батарей, лишённый большинства недостатков материалов, применяемых сегодня^[26]. Группа российских исследователей опубликовала в журнале Journal of Materials Chemistry A^[en][27] результаты работы по применению для солнечных батарей нового разработанного ими полупроводникового материала — комплексного полимерного йодида висмута ({[Bi₃I₁₀]} и {[BiI₄]}), структурно подобного минералу перовкситу (природному титанату кальция), который показал рекордный коэффициент преобразования света в электроэнергию.^[27][28] Та же группа учёных создала второй аналогичный полупроводник на основе комплексного бромида сурьмы с перовкситоподобной структурой.^[29][30]

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей,
достигнутые в лабораторных условиях^{[31][неавторитетный источник?]}

Тип	Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %
Кремниевые	24,7
Si (кристаллический)
Si (поликристаллический)
Si (тонкопленочная передача)
Si (тонкопленочный субмодуль)	10,4
III-V
GaAs (кристаллический)	25,1
GaAs (тонкопленочный)	24,5
GaAs (поликристаллический)	18,2
InP (кристаллический)	21,9
Тонкие плёнки халькогенидов
CIGS (фотоэлемент)	19,9
CIGS (субмодуль)	16,6
CdTe (фотоэлемент)	16,5
Аморфный/Нанокристаллический кремний
Si (аморфный)	9,5
Si (нанокристаллический)	10,1
Фотохимические
На базе органических красителей	10,4
На базе органических красителей (субмодуль)	7,9
Органические
Органический полимер	5,15
Многослойные
GaInP/GaAs/Ge	32,0
GaInP/GaAs	30,3
GaAs/CIS (тонкопленочный)	25,8
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль)	11,7

Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов[править | править код]

Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры.

Частичное затемнение панели вызывает падение выходного напряжения за счёт потерь в неосвещённом элементе, который начинает выступать в роли паразитной нагрузки. От данного недостатка можно избавиться путём установки байпаса на каждый фотоэлемент панели. В облачную погоду при отсутствии прямых солнечных лучей крайне неэффективными становятся панели, в которых используются линзы для концентрирования излучения, так как исчезает эффект линзы.

Из рабочей характеристики фотоэлектрической панели видно, что для достижения наибольшей эффективности требуется правильный подбор сопротивления нагрузки. Для этого фотоэлектрические панели не подключают напрямую к нагрузке, а используют контроллер управления фотоэлектрическими системами, обеспечивающий оптимальный режим работы панелей.

Недостатки солнечной электроэнергетики[править | править код]

• Необходимость использования больших площадей;
• Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в вечерних сумерках, в то время как пик электропотребления приходится именно на вечерние часы;
• Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д.^[32]

Cолнечные электростанции подвергаются критике из-за высоких издержек, а также низкой стабильности комплексных галогенидов свинца и токсичности этих соединений. В настоящее время ведутся активные разработки бессвинцовых полупроводников для солнечных батарей, например на основе висмута^[27] и сурьмы.

Из-за своей низкой эффективности, которая в лучшем случае достигает 20 процентов, солнечные батареи сильно нагреваются. Остальные 80 процентов энергии солнечного света нагревают солнечные батареи до средней температуры около 55 °C. С увеличением температуры фотогальванического элемента на 1°, его эффективность падает на 0,5 %. Эта зависимость нелинейна и повышение температуры элемента на 10° приводит к снижению эффективности почти в два раза. Активные элементы систем охлаждения (вентиляторы или насосы) перекачивающие хладагент, потребляют значительное количество энергии, требуют периодического обслуживания и снижают надёжность всей системы. Пассивные системы охлаждения обладают очень низкой производительностью и не могут справиться с задачей охлаждения солнечных батарей^[33].

Очень часто одиночные фотоэлементы не вырабатывают достаточной мощности. Поэтому определённое количество фотоэлементов соединяется в так называемые фотоэлектрические солнечные модули и между стеклянными пластинами монтируется укрепление. Эта сборка может быть полностью автоматизирована^[34].

Пятерка крупнейших производителей[править | править код]

Крупнейшие производители фотоэлектрических элементов (по суммарной мощности) в 2016 году.^[35]

1. Jinko Solar^[en]
2. Trina Solar
3. Hanwha QCELLS
4. Canadian Solar
5. JA Solar

1. ↑ Spain requires new buildings use solar power
2. ↑ Арендаторам домов с солнечными батареями будет выплачиваться дотация, Germania.one.
3. ↑ Франция построит 1000 км дорог с солнечными батареями
4. ↑ Во Франции открыли первую дорогу из солнечных панелей, theUK.one.
5. ↑ Автономный светофор на солнечных батареях — купить в Москве, цена (неопр.). lumenstar.ru. Дата обращения 5 ноября 2019.
6. ↑ ТАСС: Наука — Ученые Южной Кореи создали подкожную солнечную батарею
7. ↑ «Solar Spectra: Air Mass Zero»
8. ↑ «Solar Photovoltaic Technologies» (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 7 февраля 2012. Архивировано 26 мая 2012 года.
9. ↑ «Reference Solar Spectral Irradiance: Air Mass 1.5»
10. ↑ По материалам: www.ecomuseum.kz (недоступная ссылка)
11. ↑ «Конкурентоспособность энергетики» Архивная копия от 14 ноября 2007 на Wayback Machine // Photon Consulting
12. ↑ Виды солнечных батарей (неопр.).
13. ↑ Австралийцы установили новый рекорд КПД солнечных батарей (рус.). Membrana. Membrana (28 августа 2009). Дата обращения 6 марта 2011.
14. ↑ На рынок выходят солнечные батареи с рекордным КПД (рус.). Membrana. Membrana (25 ноября 2010). Дата обращения 6 марта 2011.
15. ↑ Solar Junction Breaks Concentrated Solar World Record with 43,5 % Efficiency
16. ↑ Как сконцентрировать солнечный свет без концентраторов
17. ↑ Sharp разработала концентрирующий фотоэлемент с кпд 44,4 % (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 11 июля 2013. Архивировано 30 марта 2014 года.
18. ↑ Новый рекорд КПД фотоэлемента: 44,7 %
19. ↑ УЧЁНЫЕ ИЗ ИНСТИТУТА СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ ФРАУНГОФЕРА РАЗРАБОТАЛИ СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ С КПД 46 % И ЭТО НОВЫЙ МИРОВОЙ РЕКОРД
20. ↑ New world record for solar cell efficiency at 46 % — Fraunhofer ISE
21. ↑ All-silicon spherical-Mie-resonator photodiode with spectral response in the infrared region
22. ↑ Б. Берланд. Фотоэлементы уходят за горизонт: Оптические ректенны солнечных батарей (англ.). Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США (2003). Дата обращения 4 апреля 2015.
23. ↑ Краснок А Е, Максимов И С, Денисюк А И, Белов П А, Мирошниченко А Е, Симовский К Р, Кившарь Ю С. Оптические наноантенны // Успехи физических наук. — 2013. — Т. 183, № 6. — С. 561–589. — DOI:10.3367/UFNr.0183.201306a.0561.
24. ↑ Александр Дубов. Физики выдавили из солнечных батарей дополнительную энергию (неопр.). nplus1.ru. Дата обращения 25 апреля 2018.
25. ↑ Александр Дубов. Химики продлили жизнь горячим электронам в перовскитных батареях (неопр.). nplus1.ru. Дата обращения 20 июня 2018.
26. ↑ Софья Алимова. Российские ученые разработали новый материал для солнечных батарей (неопр.). Народные Новости России. Дата обращения 14 мая 2019.
27. ↑ ^{1 2 3} Pavel A. Troshin, Vladimir P. Fedin, Maxim N. Sokolov, Keith J. Stevenson, Nadezhda N. Dremova. Polymeric iodobismuthates {[Bi3I10} and {[BiI4]} with N-heterocyclic cations: promising perovskite-like photoactive materials for electronic devices] (англ.) // Journal of Materials Chemistry A. — 2019-03-12. — Vol. 7, iss. 11. — P. 5957–5966. — ISSN 2050-7496. — DOI:10.1039/C8TA09204D.
28. ↑ В России разработали новый полупроводник для солнечных батарей. Он не токсичный и очень эффективный! — Хайтек (рус.). hightech.fm. Дата обращения 14 мая 2019.
29. ↑ В России создали новый полупроводниковый материал для солнечных батарей (неопр.). ТАСС. Дата обращения 14 мая 2019.
30. ↑ Ученые Сколтеха разработали новые полупроводниковые материалы для электроники (неопр.). naked-science.ru. Дата обращения 14 мая 2019.
31. ↑ Максимальные значения КПД фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях (неопр.) (недоступная ссылка). Nitol Solar Limited. Архивировано 17 июля 2008 года.
32. ↑ Лапаева Ольга Федоровна. Трансформация энергетического сектора экономики при переходе к энергосберегающим технологиям и возобновляемым источникам энергии (рус.) // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2010. — Вып. 13 (119).
33. ↑ David Szondy. Stanford researchers develop self-cooling solar cells. (англ.). gizmag.com (25 July 2014). Дата обращения 6 июня 2016.
34. ↑ Производство фотоэлектрического солнечного модуля (неопр.). Архивировано 25 июня 2012 года.
35. ↑ Bloomberg New Energy Finance Tier 1 module maker list, Q2 2016

Солнечные батареи: принцип работы, как сделать своими руками в домашних условиях

Использование солнечной энергии для обеспечения жизненных потребностей в 21 веке является актуальным вопросом не только для корпораций, но и для населения. Теперь использование солнечных батарей для получения экологической электроэнергии привлекает много людей своей доступностью, автономностью, неиссякаемостью и минимальными вложениями. Теперь эти явления настолько привычны и обыденны, что уже давно прочно обосновались в нашу каждодневную жизнь.

Данный источник электроэнергии используется для освещения, функционирования бытовых электроприборов и отопления. Уличные фонари на солнечных батареях используются повсеместно в городской черте, на дачных участках и территориях загородных коттеджей.

Содержание

Принцип работы солнечной батареи

Устройство предназначено для непосредственного преобразования лучей солнца в электричество. Этот действие называется фотоэлектрическим эффектом. Полупроводники (кремневые пластины), которые используются для изготовления элементов, обладают положительными и отрицательными заряженными электронами и состоят их двух слоев n-слой (-) и р-слой (+). Излишние электроны под воздействием солнечного света выбиваются из слоев и занимают пустые места в другом слое. Это заставляет свободные электроны постоянно двигаться, переходя из одной пластины в другую вырабатывая электричество, которое накапливается в аккумуляторе.

Как работает солнечная батарея, во многом зависит от ее устройства. Первоначально фотоэлементы изготавливались из кремния. Они и сейчас очень популярны, но поскольку процесс очистки кремния достаточно трудоемок и затратен, разрабатываются модели с альтернативными фотоэлементами из соединений кадмия, меди, галлия и индия, но они менее производительны.

КПД солнечных батарей с развитием технологий вырос. На сегодняшний день это показатель возрос от одного процента, который регистрировался в начале столетия, до более двадцати процентов. Это позволяет в наши дни использовать панели не только для обеспечения бытовых нужд, но и производственных.

Технические характеристики

Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:

• Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;

• Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;

• Контроллер уровня заряда аккумулятора.

Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.

Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.

(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)

Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.

Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.

Установка солнечных батарей

Если конструкции будут использоваться для электрообеспечения жилых пространств, то место установки следует выбирать тщательно. Если панели будут загорожены высотными зданиями или деревьями, то трудно будет получить необходимую энергию. Их необходимо разместить там, где поток солнечных лучей максимален, то есть на южную сторону. Конструкцию лучше установить под наклоном, угол которого равен географической широте месторасположения системы.

Солнечные панели должны размещаться таким образом, чтобы хозяин имел возможность периодически очищать поверхность от пыли и грязи или снега, поскольку это приводит к более низкой способности выработки энергии.

Солнечная батарея своими руками

Те, кто хочет сэкономить, задумываются, как сделать солнечную батарею в домашних условиях самостоятельно, чтобы она обладала необходимыми эксплуатационными параметрами и полностью обеспечивала энергетические потребност. Это особенно актуально для мест отдаленных от главных артерий цивилизации.

Солнечные батареи своими руками в домашних условиях изготавливаются из соответствующих элементов, которые можно купить в открытом доступе в специализированных компаниях или через интернет магазины. Если кремниевые пластины должны приобретаться у производителей, то остальные элементы, такие как лента, рамка, пленка, стекло, припой и прочее можно вполне обнаружить и дома в хозяйстве.

Солнечная батарея своими руками из подручных средств изготавливается некоторыми умельцами из медных листов, зажимов, мощных электроплит, соли и из других материалов. Такие кустарные устройства не смогут полностью обеспечить необходимой электроэнергией и могут использоваться лишь в небольших масштабах.

Лучше всего солнечные батареи купить у производителя, поскольку они обладают гарантией и необходимыми функциональными и эксплуатационными параметрами, и, значит, не подведут. Производство солнечных батарей базируется на применении новейших технологий, которые постоянно развиваются, предлагая более усовершенствованные модели. В зависимости от размеров устройств, они могут использовать для различных целей в местах, где нет снабжения электроэнергией. Они встречаются на калькуляторах, часах, различных мобильных устройствах.

Так, например, рюкзак с солнечной батареей будет незаменимым помощником тех, кто любит путешествовать с комфортом. Он накопит достаточно энергии, чтобы зарядить фонарик для освещения туристической палатки или чтобы во время похода заряжать необходимые гаджеты. Судя по отзывам, солнечные батареи используются часто и с удовольствием для удовлетворения разнообразных нужд не только на природе, но и в быту.

Современные устройства со встроенными солнечными модулями

• Power bank с солнечной батареей – внешний накопитель с фотоэлементами для преобразования солнечных лучей в заряд аккумулятора. Он обладает несколькими портами и предназначен для зарядки смартфонов или планшетов. Это незаменимое устройство для тех кто, много времени тратят в дороге и пользуются гаджетами. Устройство, зависимо от модели может дополняться различными функциями, как, к примеру, фонариком.

• Робот конструктор – наборы с различными элементами, из которых можно собрать несколько конструкций, которые двигаются автономно. Это лучшая игрушка для любознательных детей. Робот конструктор на солнечной батарее купить интересно будет не только малышам, но и вполне взрослым дяденькам, поскольку захватывающим является не только движение робота, но и сам процесс сборки.

• Уличные садовые светильники на солнечных батареях – идеальное решение для сада, огорода или приусадебного участка. Благодаря накопленному заряду они будут светиться всю ночь. Для этого не нужно прокладывать специальную проводку. Их можно брать с собой на рыбалку или семейный поход. Чрезвычайная мобильность, компактность и удобство делают фонари самыми востребованными изделиями на солнечных батареях.

Возможности эксплуатации настолько разнообразны, а технологии так быстро развивается, что скоро солнечные модули охватят все сферы жизни современного человека.

Применение солнечных батарей

Солнечная батарея — это группа фотоэлементов, вырабатывающая электрический ток под воздействием солнечных лучей.

Схема солнечной фотоэлектрической системы.

Внешняя простота конструкции очень привлекательна по сравнению с турбинами гидроэлектростанций и атомными реакторами, но больших электрических мощностей, чем получаемые на ГЭС и АЭС, использование солнечных батарей пока дать не может.

Солнечный свет — основа тепла и жизни на Земле, своим обилием и легкой доступностью привлекал пытливые умы всех времен. Тысячи лет назад великий Архимед с помощью вогнутых отполированных поверхностей бронзовых щитов сфокусировал лучи солнца и поджег деревянную эскадру римлян. Солнечные коллекторы — собиратели солнечного тепла — популярны и сегодня при использовании в летних душах на дачах и садовых участках.

Схема водонагревательной гелиосистемы.

Солнечная энергия для получения электричества стала применяться только в середине прошлого века. Открытие и использование внутреннего фотоэффекта в полупроводниковых фотоэлементах, развитие технологии их производства позволили создать надежные конструкции солнечных батарей.

В результате падения световых лучей на поверхность полупроводникового фотоэлемента в последнем возникает направленный поток электронов, который и называется электрическим током. Величина его измеряется в микроамперах. Электрическая мощность одного фотоэлемента очень маленькая, поэтому их соединяют в блоки. Основными недостатками, тормозящими широкое использование таких батарей, являются:

• невысокая электрическая мощность;
• высокая стоимость производства.

Малая мощность солнечных батарей обусловлена еще тем, что большая часть падающего на них светового потока рассеивается, отражается или поглощается без выработки электрического тока (потери — до 75%). Отсюда низкие мощности фотоэлементов и высокая стоимость их электроэнергии.

Схема принципа работы и устройства солнечной батареи.

Основным материалом для производства полупроводниковых фотоэлементов является кристаллический кремний. Морские и речные пляжи переполнены песком — ярким представителем кремния, но содержат всевозможные примеси. Технология очистки природного кремния — очень дорогостоящее мероприятие, что сказывается на стоимости фотоэлементов.

Солнечную энергию активно стали использовать в космосе. Солнечные батареи в космических аппаратах — основа для обеспечения питания всей бортовой космической техники. В быту применение фотоэлементов встречается чаще всего в калькуляторах на солнечных батареях. Совершенствование технологий производства кристаллического кремния привело к созданию солнечных батарей на фотоэлементах нового поколения.

Применение солнечных батарей в быту

Схема солнечных модулей.

Бытовое использование фотоэлементов, объединенных в блоки для создания достаточной электрической мощности, находит применение в качестве резервных источников энергии для самых нужных бытовых приборов.

Дачи и загородные дома в условиях нашей действительности весьма уязвимы для временных отключений электроэнергии. Даже элитные участки, застроенные роскошными зданиями, не застрахованы от этих явлений. Отсутствие, хотя бы временное, возможности использования привычной бытовой техники: холодильника, микроволновой печи, тостера, телевизора — создает бытовые неудобства и раздражает.

Солнечные батареи устраняют зависимость от временных отключений электроэнергии и создают ощущение свободы и комфорта. За дополнительный комфорт приходится платить, так как применение таких батарей возможно только в комплекте со специальными приборами:

• аккумуляторы для накопления электроэнергии, выработанной фотоэлементами батареи;
• контроллер для регулировки оптимального расходования накопленной электроэнергии;
• инвертор для питания бытовых приборов.

Подключение и обслуживание

Правильно подключить и использовать солнечную батарею — такая задача встает сразу же после приобретения этого недешевого оборудования. Вот самый минимальный перечень мероприятий по организации автономного электроснабжения:

• выбрать необходимое число модулей из фотоэлементов для сборки батарей;
• выбрать способ подключения;
• предусмотреть установку диодного шунта от возможного затенения фотоэлементов;
• установить регулятор зарядки аккумуляторов;
• установить контроллер для всей системы фотоэлементов.

Специфика работ требует привлечения специалиста, чтобы правильно подключить батарею.

Обслуживание солнечных батарей несложно, но требует внимания. Фотоэлемент, точнее, кристаллический полупроводник, долговечен и неприхотлив к изменению внешних условий. Элементы конструкции фотоэлектрических модулей и батарей в период эксплуатации изменяют свои свойства:

• загрязнение поверхностей фотоэлементов снижает их эффективность;
• защитная пленка снижает со временем светопропускание на 10-20%, что требует регулировки в электрических цепях;
• перегрев контроллера и инвертора нарушает электрические характеристики системы;
• изоляция подводящих проводов разрушается от влаги и перепада температуры.

Пользоваться неисправной батареей категорически запрещено.

Перспективы развития использования солнечной энергии

Схема электросети при использовании солнечных батарей.

Установка на крышах домов в городах солнечных преобразователей очень перспективна для экономии электроэнергии, но требует государственной поддержки. Например, бытовым потребителям фотоэлектрической энергии в Германии субсидируют коммунальные платежи.

В государствах, где солнечные дни преобладают (Испания, Израиль), разрабатываются проекты жилых и промышленных зданий с солнечными батареями на крыше. Сложность технологии производства и высокая стоимость фотоэлементов не позволяют добиться массового производства.

Электромобили сегодня реально эксплуатируются, но в небольших масштабах из-за необходимости частых подзарядок аккумуляторов. Зарядка автомобильных аккумуляторов солнечными батареями — это прорыв в автомобильной промышленности по созданию конкурентоспособных электромобилей.

По долгосрочным техническим прогнозам к середине 21 века, себестоимость электроэнергии фотоэлементов приблизится к себестоимости ее типовых поставщиков. С точки зрения экологии, автономные мощные источники электроэнергии в виде солнечных батарей получат широкое распространение.

Солнечные батареи для дома: виды, устройство, технические характеристики

При постоянно растущих ценах на электроэнергию поневоле начнешь задумываться об использовании природных источников для электроснабжения. Одна из таких возможностей — солнечные батареи для дома или дачи. При желании они могут обеспечить полностью все потребности даже большого дома.

Устройство системы электропитания от солнечных батарей

Содержание статьи

Преобразовывать энергию солнца в электричество – эта идея длительное время не давала спать ученым. С открытием свойств полупроводников это стало возможным. В солнечных батареях используются кремниевые кристаллы. При попадании на них солнечного света в них образуется направленное движение электронов, которое называется электрическим током. При соединении достаточного количества таких кристаллов получаем вполне приличные по величине токи: одна панель площадью чуть больше метра (1,3-1,4 м2 при достаточном уровне освещенности может выдать до 270 Вт (напряжение 24 В).

Электрические солнечные батареи для дома открывают много возможностей

Так как освещенность меняется в зависимости от погоды, времени суток, напрямую подключать устройства к солнечным батареям не получается. Нужна целая система. Кроме солнечных панелей требуется:

• Аккумулятор. На протяжении светового дня под воздействием солнечных лучей солнечные батареи вырабатывают электрический ток для дома, дачи. Он не всегда используется в полном объеме, его излишки накапливаются в аккумуляторе. Накопленная энергия расходуется ненастную погоду.
• Контролер. Не обязательная часть, но желательная (при достаточном количестве средств). Отслеживает уровень заряда аккумулятора, не допуская его чрезмерного разряда или превышения уровня максимального заряда. Оба этих состояния губительны для аккумулятора, так что наличие контролера продлевает срок эксплуатации аккумулятора. Также контролер обеспечивает оптимальный режим работы солнечных панелей.
• Преобразователь постоянного тока в переменный (инвертор). Не все устройства рассчитаны на постоянный ток. Многие работают от переменного напряжения в 220 вольт. Преобразователь дает возможность получить напряжение 220-230 В.

Солнечные батареи для дома — только часть системы

Установив солнечные батареи для дома или дачи, можно стать совершенно независимым от официального поставщика. Но для этого надо иметь большое количество батарей, некоторое количество аккумуляторов. Комплект, который вырабатывает 1,5 кВт  а сутки стоит около 1000$. Этого достаточно для обеспечения потребностей дачи или части электрооборудования в доме. Комплект солнечных батарей для производства 4 кВт в сутки стоит порядка 2200$, на 9 кВт в сутки — 6200$. Так как солнечные батареи для дома — модульная система, можно купить установку, которая будет обеспечивать часть потребностей, постепенно увеличивая ее производительность.

Виды солнечных батарей

С ростом цен на энергоносители идея использования энергии солнца для получения электроэнергии становится все более популярной. Тем более, что с развитием технологий солнечные преобразователи становятся эффективнее и, одновременно, дешевле. Так что, при желании, можно свои нужды обеспечить установив солнечные батареи. Но они бывают разных типов. Давайте разбираться.

Сама солнечная батарея — некоторое количество фотоэлементов, которые расположены в общем корпусе, защищенные прозрачной лицевой панелью.  Для бытового использования фотоэлементы производят на основе кремния, так как он относительно недорог, и элементы на его основе имеют неплохой КПД (порядка 20-24%). На основе кремниевых кристаллов изготавливают монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные (гибкие) фотоэлементы. Некоторое количество этих фотоэлементов электрически соединены между собой (последовательно и/или параллельно) и выведены на клеммы, расположенные на  корпусе.

Солнечная панель для дома состоит из некоторого количества фтоэлементов

Фотоэлементы установлены в закрытом корпусе. Корпус солнечной батареи делают из анодированного алюминия. Он легкий, не подвержен коррозии. Лицевую панель делают из прочного стекла, которое должно выдерживать снего-ветровые нагрузки. К тому же оно должно обладать определенными оптическими свойствами — иметь максимальную прозрачность, чтобы пропускать как можно больше лучей. Вообще, из-за отражения теряется значительное количество энергии, так что требования к качеству стекла высокие и еще оно покрывается антибликовым составом.

Виды фотоэлементов для солнечных батарей

Солнечные батареи для дома делают на основе кремневых элементов трех типов;

• Монокристаллические. Каждый фотоэлемент — один кристалл кремния. Монокристаллические фотоэлементы имеют неплохой КПД (порядка 24,7%), но и стоимость их несколько выше. Отличить можно, во-первых, по однородному насыщенному синему цвету, во-вторых, по скругленным краям фотоэлемента.

  Виды кремниевых фотоэлементов для солнечных батарей

• Поликристаллические. Несколько небольших кремниевых кристаллов объединены в один фотоэлемент. Они имеют неоднородную структуру, из-за чего хуже поглощают солнечный свет. Это отражается на КПД (20,3%). Фактически это означает, что солнечная панель той же мощности будет занимать примерно на 20% больше площади.
• Тонкопленочные. Представляют собой слой полупроводника, напыленный на гибкую подложку. За счет своей гибкости могут монтироваться на криволинейные поверхности. Но имеют невысокую производительность (порядка 10,4%), так что занимают большие площади (как минимум, в 2 раза больше, чем поликристаллические).

Если у вас скатная крыша и фасад развернут на юг или восток, слишком сильно думать о занимаемой площади не имеет смысла. Вполне могут устроить поликристаллические модули. При равном количестве производимой энергии они стоят немного дешевле.

Как правильно выбрать систему солнечных батарей для дома

Есть распространенные заблуждения, которые заставляют вас тратить лишние деньги на приобретение чересчур дорогого оборудования. Ниже приведем рекомендации того, как правильно выстроить систему электропитания от солнечных батарей и не потратить лишних денег.

Солнечные электростанции для дома могут быть не такими дорогими, если подходить к вопросу взвешенно

Что надо купить

Далеко не все компоненты солнечной электростанции жизненно необходимы для работы. Без некоторых частей вполне можно обойтись. Они служат для повышения надежности, но без них система работоспособна. Первое, что стоит запомнить — приобретайте солнечные батареи в конце зимы, начале весны. Во-первых, погода в это время отличная, много солнечных дней, снег отражает солнце, увеличивая общую освещенность. Во-вторых, в это время традиционно объявляют скидки. Далее советы такие:

• Приобретайте солнечные батареи для дома с выходным напряжением 12 В. Именно от такого напряжения работает большая часть бытовой и строительной техники, светодиодные светильники и т.д. Техники, работающей от 24 или 48 вольт намного меньше. Можете посмотреть паспорта или воспользуйтесь поиском.
• Не используйте для освещения лампы накаливания. Они потребляют слишком много электроэнергии, да и работают от 220 в. Замените их на светодиодные. Для них постоянный ток в 12 В — это то, что надо.

  «Полная» система электропитания от солнечных батарей выглядит так

• Не старайтесь сразу купить систему большой мощности чтобы покрыть все возможные потребности. Для начала купите пару модулей без преобразователя/инвертора, подключите к ним ту технику, которая работает от постоянного напряжения. Если вас устроит система, позднее можно нарастить мощность, докупить инвертор и подключить технику, которая работает от 220-230 В. И учтите, что инвертор, даже при выключенной нагрузке, потребляет электроэнергию (потери на преобразовании примерно 30%). То есть ночью, когда все выключено, он просто расходует заряд АКБ. Причем выдает он далеко не идеальную синусоиду. В общем, все что может работать от постоянного напряжения, запитываем от аккумуляторов напрямую.

Если воспользоваться только этими советами, и подключить только технику, которая работает от постоянного напряжения, система солнечных батарей для дома обойдется в гораздо более скромную сумму чем самый дешевый комплект. Но это еще не все. Можно еще часть оборудования оставить «на потом» или вообще обойтись без него.

Без чего можно обойтись

Стоимость комплекта солнечных батарей на 1 кВт в сутки — более тысячи долларов. Немалые вложения. Поневоле задумаешься, а стоит ли оно того и каков же будет срок окупаемости. При нынешних тарифах ждать пока отобьются свои деньги придется не один год. Но можно затраты уменьшить. Не за счет качества, но за счет незначительного снижения комфортности эксплуатации системы и за счет разумного подхода к подбору ее компонентов.

• Не покупайте гелиевые или аккумуляторы глубокого разряда. Они не стоят своих денег. С солнечными батареями для дома отлично работают даже отслужившие свой срок автомобильные АКБ . Они нормально работают еще минимум, 5 лет.

  Если площадь не ограничена, можно купить солнечную батарею на поликристаллических фотоэлементах

• В принципе, можно обойтись еще меньшими средствами. Можно не ставить контроллер. Он стоит не менее 150$ (а при большой мощности 500$), а вся его задача — мониторить состояние заряда батарей. Если бюджет ограничен, купите автомобильные часы, работающие от 12 В, которые также измеряют напряжение, температуру. Они стоят 2-5$ и практически выполняют ту же функцию. А чтобы избежать перезаряда, купите лишний аккумулятор. Или два. Суммарная мощность «лишней» емкости должна быть не ниже 20%. Это и позволит избежать перезаряда, и увеличит емкость системы.

Итак, если бюджет ограничен, можно обойтись несколькими солнечными панелями и аккумуляторными батареями, емкость которых на 20-25% выше максимального заряда солнечных панелей. Для мониторинга состояния купите автомобильные часы, которые еще измеряют напряжение. Это избавит вас от необходимости несколько раз в день измерять заряд на АКБ. Вместо этого вам надо будет время от времени смотреть на показания часов. Для старта это все. В дальнейшем можно докупать солнечные батареи для дома, увеличивать количество АКБ. При желании, можно купить инвертор.

Определяемся с размерами и количеством фотоэлементов

В хороших солнечных батареях на 12 вольт должно быть 36 элементов, на 24 вольта — 72 фотоэлемента. Это количество оптимально. При меньшем числе фотоэлементов вы никогда не получите заявленный ток. И это — лучший из вариантов.

Не стоит покупать сдвоенные солнечные панели — по 72 и 144 элемента соответственно. Во-первых, они очень большие, что неудобно при перевозке. Во-вторых, при аномально низких температурах, которые у нас периодически случаются, они первыми выходят из строя. Дело в том, что ламинирующая пленка при морозах сильно уменьшается в размерах. На больших панелях из-за большого натяжения она отслаивается или даже рвется. Теряется прозрачность, катастрофически падает производительность. Панель идет в ремонт.

Солнечная панель на 4 В имеет 7 элемента

Второй фактор. На больших по размерам панелях должна быть больше толщина корпуса и стекла. Ведь увеличивается парусность и снеговые нагрузки. Но далеко не всегда это делают, так как значительно возрастает цена. Если вы видите сдвоенную панель, а цена на нее ниже, чем на две «обычных», лучше ищите что-то другое.

Еще раз: лучший выбор — солнечная панель для дома на 12 вольт, состоящая из 36 фотоэлементов. Это оптимальный вариант, проверенный практикой.

Технические характеристики: на что обратить внимание

В сертифицированных солнечных батареях всегда указывается рабочий ток и напряжение, а также напряжение холостого хода и ток КЗ. При этом стоит учесть, что все параметры обычно указываются для температуры +25°C. В солнечный день на крыше батарея разогревается до температур, значительно превышающих эту цифру. Это объясняет наличие большего рабочего напряжения.

Пример технических характеристик солнечных батарей для дома

Также обратите внимание на напряжение холостого хода. В нормальных батареях оно порядка 22 В. И все бы ничего, но если проводить работы на оборудовании не отключив солнечные батареи, напряжение холостого ходы выведет из строя инвертор или другую подключенную технику, не рассчитанную на подобный вольтаж. Потому при любых работах — переключении проводов, подключении/отключении аккумуляторов и  т.д. и т.п — первое что вы должны сделать — отключить солнечные батареи (снять клеммы). Перебрав схему, их подключаете последними. Такой порядок действий сохранит вам много нервов (и денег).

Корпус и стекло

Солнечные батареи для дома имеют алюминиевый корпус. Этот металл не корродирует, при достаточной прочности имеет небольшую массу. Нормальный корпус должен быть собран из профиля, в котором присутствуют, как минимум, два ребра жесткости. К тому же стекло должно быть вставлено в специальный паз, а не закреплено сверху. Все это — признаки нормального качества.

Бликов на корпусе быть не должно

Еще при выборе солнечной батареи обратите внимание на стекло. В нормальных батареях оно не гладкое, а текстурированное. На ощупь — шершавое, если провести ногтями, слышен шорох. К тому же должно иметь качественное покрытие, которое сводит к минимуму блики. Это означает что в нем не должно ничего отражаться. Если хоть под каким-то углом видны отражения окружающих предметов, лучше найдите другую панель.

Выбор сечения кабеля и тонкости электрического подключения

Подключать солнечные батареи для дома необходимо медным одножильным кабелем. Сечение жилы кабеля зависит от расстояния между модулем и АКБ:

• расстояние менее 10 метров:
  • 1,5 мм2 на одну солнечную батарею мощностью 100 Вт;
  • на две батареи — 2,5 мм2;
  • три батареи — 4,0 мм2;
• расстояние больше 10 метров:
  • для подключения одной панели берем 2,5 мм2;
  • двух — 4,0 мм2;
  • трех — 6,0 мм2.

Можно брать сечение больше, но не меньше (будут большие потери, а оно нам не надо). При покупке проводов, обратите внимание на фактическое сечение, так как сегодня заявленные размеры очень часто не соответствуют действительным. Для проверки придется измерять диаметр и считать сечение (как это делать, прочесть можно тут).

Солнечные батареи для дома: электрическое подключение

При сборе системы можно плюсы солнечных батарей провести используя многожильный кабель подходящего сечения, а для минуса использовать один толстый. Перед подключением к аккумуляторам все «плюсы» пропускаем через диоды или диодные сборки с общим катодом. Это предотвращает возможность замыкания аккумулятора (может вызвать возгорание) при замыкании или обрыве проводов между батареями и аккумулятором.

Диоды используют типа SBL2040CT, PBYR040CT. Если такие на нашли, можно снять со старых блоков питания персональных компьютеров. Там обычно стоят SBL3040 или подобные. Пропускать через диоды желательно. Не забудьте что они сильно греются, так что монтировать их надо на радиаторе (можно на едином).

Еще в системе необходим блок предохранителей. По одному на каждого потребителя. Всю нагрузку подключаем через этот блок. Во-первых, система так безопаснее. Во-вторых, при возникновении проблем, проще определить ее источник (по сгоревшему предохранителю).

Преимущества и недостатки солнечных батарей

Солнечные батареи: плюсы и минусы

На сегодняшний день преимущества и недостатки солнечных батарей, позволяют говорить об этих источниках энергии, как о самых перспективных на ближайшее будущее. Чем же так хороша солнечная энергия и что позволяет говорить о плюсах батарей не только для дома, но и для крупных предприятий и заводов. Данная статья призвана не только осветить все преимущества, но и раскрыть недостатки, которые либо умалчиваются производителями, либо не раскрываются при продаже.

---

Преимущества солнечных батарей

• Самый первый плюс — это неиссякаемость и вседоступность источника энергии. Солнце есть практически в любой точке планеты и в ближайшее время, оно не собирается никуда пропадать. Если этот источник энергии пропадёт, то нас уже точно не будет волновать вопрос откуда взять электроэнергию.

• Второе достоинство солнечных батарей — это их экологичность. Каждый потребитель, борющийся за здоровье родной планеты, считает своим долгом приобрести экологичные источники энергии типа ветряка или, в нашем случае — солнечные панели. Но здесь так же как с электромобилями. Сами-то по себе батареи экологичны, но при их производстве, а также при производстве аккумуляторов, электростанций и различных проводников, используются токсичные вещества, которые загрязняют окружающую среду.

• Кстати, говоря о сравнении с ветряками, солнечные панели намного тише. Они вообще не издают никаких звуков в сравнении с шумными ветряками.

• Износ батарей происходит очень медленно, ведь здесь нет подвижных частей, если только Вы не используете в своей системе приводы, которые поворачивают солнечные элементы в сторону источника энергии. Тем не менее, даже с такой системой, солнечные панели служат до 25 лет и даже больше. Только после этого срока, если батареи качественные, у них начинает падать КПД и постепенно их нужно заменять на новые. Кто знает какие технологии будут через четверть века? Возможно, следующих батарей Вам хватит до конца жизни.

• Устанавливая такой источник энергии для дома, Вы не будете думать о том, что поставщик энергии внезапно по техническим причинам отрежет ваш дом от энергоснабжения. Вы всегда сам себе хозяин. Точнее своей системе подачи электричества. Нет проблем ни с внезапным повышением цен, ни с транспортировкой энергии.

• После того, как ваша энергетическая солнечная электростанция окупится, Вы будете получать по сути бесплатную энергию в дом. Конечно, сначала за определённый период, нужно отбить вложения.

• Ещё одно преимущество солнечных электростанций — возможность наращивания. Вопрос упирается только в доступную для Вас площадь. Именно модульность батарей позволяет беспрепятственно в случае необходимости увеличивать мощность системы. Необходимо просто добавить новые солнечные панели и запитать их в систему.  Хотя эти преимущества солнечных электростанций перекрываются существенной проблемой, а именно необходимостью оборудования больших площадей. Речь идёт о квадратных километрах солнечных элементов.

• Солнечная панель не потребляет никакого топлива, а значит Вы не зависите от цен на топливо, также как не зависите от поставок топлива. Плюсы солнечных батарей также в беспрерывной подаче электроэнергии.

---

Минусы и недостатки солнечных батарей

Несмотря на все вышеперечисленные плюсы, есть у батарей и масса недостатков, которые необходимо оценить при выборе источника энергии. Важно понимать все минусы до покупки, чтобы потом быть готовым к тому, с чем придётся столкнуться. По ряду причин солнечные панели используются чаще как вспомогательный источник, а не как основной.

• Самый первый недостаток — необходимость первоначальных больших инвестиций, которые не требуются при обычном подключении к центральной электросети. Также срок окупаемости вложений, в электросеть с солнечными батареями, весьма размытый, ведь всё зависит от факторов, которые не зависят от потребителя.

• Низкий уровень КПД. Один квадратный метр солнечной батареи средней производительности выдаёт всего лишь около 120 Вт мощности. Такой мощности не хватит даже для того, чтобы нормально поработать за лэптопом. Солнечные панели имеют значительно меньший КПД в сравнении с традиционными источниками энергии — около 14-15%. Однако этот недостаток можно считать достаточно условным, ведь новые технологии постоянно увеличивают этот показатель и развитие не стоит на месте, выжимая всё больше и больше энергоэффективности из тех же самых площадей.

• В странах СНГ солнечные батареи достаточно дорогое удовольствие, ведь государство не поддерживает покупку таких источников энергии и никак не дотирует стремление своих граждан к “зелёной” энергии. Конечно, за рубежом ситуация значительно лучше. Ведь те же США заинтересованы в переходе страны на экологически чистые источники энергии.

• Ещё один недостаток — эффективность работы зависимая от погодных условий и климата. Например, солнечные батареи теряют свою эффективность во время пасмурной погоды или в тумане. Также при низких температурах, в зимнее время, КПД солнечных батарей падает. А если панель недостаточно хорошего качества, то и при высоких температурах. Поэтому всё же необходимо поддерживать солнечные батареи какими-то основными источниками энергии, либо использовать гибридные солнечные батареи. Также немаловажно, что солнечные панели могут по разному работать в разных широтах планеты. В каждой отдельно взятой местности, за год выходит разное количество солнечной энергии. Поэтому эффективность солнечной системы также зависит и от месторасположения вашего дома. Впрочем как и от времени суток, ведь ночью солнца нет, а значит и нет выработки энергии.

• Батареи невозможно использовать как источник энергии для техники, которая потребляет большую мощность.

• Система электроснабжения от солнца требует большого количества вспомогательной техники. Аккумуляторы для накопления энергии, инверторы, а также специального помещения для установки системы. Например, никель-кадмиевые аккумуляторы значительно теряют свою мощность при понижении температуры ниже нуля по Цельсию.

• Для того, чтобы выдать большую мощность от солнечной энергии, необходимы большие площади. Если говорить про солнечную электростанцию промышленного масштаба, то это квадратные километры. Конечно, при бытовом использовании панелей, Вам такие площади не понадобятся, но всё же учитывайте этот момент, если захотите расширятся.

Вот такие плюсы и минусы солнечных батарей. Надеемся наша статья помогла Вам определиться что нужно именно Вам.

Что нужно знать о солнечных батареях для частного дома?

Среди нас существует множество источников бесплатной энергии, самая доступная и выгодная – солнечная. Для её добычи используются специальные элементы – солнечные панели. О том, что понадобится для устройства солнечной электростанции в частном доме, о нюансах использования солнечной энергии мы сегодня и поговорим.

Составные части солнечной электростанции

Условно можно выделить две группы систем солнечных батарей – с малыми и большими панелями. В первом случае речь идет о аккумуляторах, способных «выдавать» до 24 В. Для полноценного обеспечения дома электроэнергией потребуются панели второго типа. Рассмотрим устройство подобных систем.

Солнечные элементы

Важнейшей частью солнечной электростанции являются сами элементы. Они выполнены из специального материала, который способен преобразовывать солнечную энергию в электрическую.

Панель состоит из нескольких отдельных элементов, которые соединяются в сборки последовательно и параллельно. При параллельном соединении увеличивается выходное напряжение, при последовательном – выходной ток.

У каждой солнечной панели есть несколько основных характеристик, которые стоит учитывать при выборе.

Характеристика	Подробное описание
Мощность (Вт)	Подбирается с учетом уровня оснащения электрическими приборами. Так, семья из трех человек, потребляет около 5 кВт/ч ежедневно. Значит, суммарная мощность фотоэлементов не должна быть меньше 1500 Вт. Есть еще ряд нюансов, которые надо учитывать.
Напряжение (В)	Для частного дома предпочтительней системы, которые выдают 24 В
Тип корпуса	Металлический или пластиковый. Первый тяжелее, но долговечнее.
Механизм подключения	Коннекторы или выводы. Первый вариант практичнее и надежнее, но стоит дороже.

Не забывайте, что вам придется регулярно чистить элементы от грязи и пыли. Делать это гораздо удобнее, если панели находятся в надежной металлической рамке.

Солнечные панели можно купить уже готовыми, но гораздо выгодней и удобнее собрать их самому. Так вы сможете неплохо сэкономить. Сами элементы можно заказать в интернете. Соединяя их параллельно и последовательно, вы сможете добиться необходимой мощности и напряжения. Для каркаса можно использовать алюминиевые уголки и лист стекла или прозрачного пластика.

Помните, что пластик со временем может помутнеть, что уменьшит количество энергии, получаемой с панелей. Стекло в этом плане более долговечно, но оно менее прочное.

Контроллер

Контроллер распределяет заряд между потребителем и аккумулятором. Если мощность, выдаваемая солнечными батареями, больше потребляемой, то остаток идет на зарядку аккумуляторов. Если же мощность нагрузки больше, чем выделяют элементы, то в работу подключаются аккумуляторные батареи.

Контроллер так же обеспечивает правильный заряд аккумуляторов. Выбирать его стоит исходя из мощности солнечных батарей, емкости аккумуляторов и величины нагрузки. Современные контроллеры могут сообщать вам всю информацию о вашей станции через интернет.

Батареи

Аккумуляторы накапливают излишнюю мощность с солнечных батарей, что позволяет пользоваться электричеством и в ночное время суток. Кроме того, если размер потребляемой электроэнергии превышает максимально возможное производство в панелях – подключается аккумулятор.

Самый важный параметр АКБ – емкость. Минимальная необходимая емкость аккумулятора – это то количество электроэнергии, которое вы потребляете за ночь. Если в темное время суток вы потребляете 2 кВт/ч, то и аккумулятор должен отдавать не менее 2 кВт/ч.

Емкость рассчитывается следующим образом:

Необходимая емкость=потребление (Вт/ч)/напряжение АКБ (в вольтах).

Если вы потребляете 2 кВт/ч, а напряжение аккумулятора равно 12 В, то необходимая емкость равна 166 А/ч (2000/12).

Но КПД батареи не 100 %, а 70 или даже 50 %. В облачность выработка электроэнергии сильно снижается, поэтому надо рассчитывать АКБ, исходя из потребления за двое суток. Тогда, в случае пасмурной погоды, вы сможете комфортно дождаться солнечных дней.

Инвертор

Инвертор преобразует 12 В с аккумуляторной батареи в 220 В для работы приборов. Главный его параметр – мощность. Рассчитывается она из потребления электроэнергии всеми приборами в один момент времени.

Это значение надо подбирать с запасом, так как КПД данного прибора далеко не 100 %. При подключении нагрузки с суммарной мощностью большей, чем способен отдать инвертор, он просто сгорит или уйдет в защиту.

Есть один нюанс при выборе инвертора. Приборы с электродвигателем (холодильник, дрель, пылесос и т.д.) требуют для работы чистую синусоиду. Поэтому при выборе инвертора следует обращать внимание не только на мощность, но и на тип выходного напряжения.

Проводка

Провода соединяют все элементы воедино. Выбирать их стоит исходя из мощности, которая по ним протекает. Запас в этом случае необходим, так как на проводах может теряться часть выдаваемой энергии.

Если провода работают на пределе своих возможностей, то они могут греться, что приведет к пожару.

Солнечные батареи обычно устанавливаются на крышу дома, но если крыша расположена неудачно, то их можно установить и на земле, используя специальные крепления. В этом случае оборудование будет удобно очищать от грязи и пыли.

Направление установки также играет большую роль. Необходимо выяснить, в какой стороне продолжительность освещения солнечных панелей будет максимальна для вашего региона.

Интересные факты

Батареи на солнечной энергии имеют ряд особенностей, о которых многие люди не подозревают. Мы подобрали интересные факты, которые могут поменять ваше представление об этом источнике электроэнергии.

1. Монокристаллические панели перестают аккумулировать солнечную энергию даже при частичном затемнении. Поликристаллические элементы в таких же условиях лишь снижают выдаваемую мощность.

2. На качество работы влияет инсоляция — чем она ниже, тем больше вам потребуется пластин.

3. Количество пластин не зависит от общей площади крыши.

4. Установка солнечных батарей в целях экономии – долгосрочные инвестиции. Цена качественной системы может достигать десятков тысяч долларов, окупаемость настанет через несколько десятилетий.

5. Панели служат не более 50 лет, аккумуляторы – до 10 лет. Проблема утилизации фотоэлементов в России не решена.

Можно сэкономить на оборудовании, если воспользоваться онлайн — площадками по покупке/продаже модулей.

 

 

 

Распродажа (-53%):

Установка солнечных батарей для дома: выбор места монтажа, этапы

В связи с постоянным повышением тарифов на энергоносители и стимуляцией зеленой энергетики в ряде государств, для обывателей стал актуальным вопрос организации собственной солнечной электростанции. Для чего многими владельцами частных территорий  и квартир осуществляется  установка солнечных батарей для дома. Но далеко не все автономные источники  выдают ожидаемые от них результаты, а некоторые вообще не функционируют. Поэтому далее мы рассмотрим основные нюансы использования солнечных батарей и детальный алгоритм установки, что позволит вам добиться максимального эффекта.

Что следует учесть на этапе проектирования?

Перед тем как установить автономную электростанцию, важно выбрать наиболее подходящее место для установки солнечных панелей, их тип и назначение. В соответствии с этими критериями определите параметры солнечных батарей и комплектующего оборудования. Если вы собираетесь использовать домашнюю электростанцию для выработки электроэнергии номиналом в 220 В, то вам понадобятся такие элементы:

Рис. 1: устройство солнечной электростанции

• Фотоэлектрический преобразователь – позволяет генерировать электрическую энергию из солнечного излучения посредством химической реакции. Характеризуются мощностью на 1м² площади, производительностью и типом. Общее количество выбирается в зависимости от нужд потребителя и планируемых объемов выработки.
• Аккумуляторная батарея – накапливает электрический заряд, получаемый от солнечной батареи для питания приборов в темное время суток. Поэтому емкость выбирается с запасом из расчета, что в пасмурную погоду заряд будет происходить значительно хуже.
• Контроллер заряда – осуществляет перераспределение электроэнергии от солнечных батарей к аккумулятору, а при достижении ним максимума, передает избыток во внешнюю сеть. При отсутствии такой системы, снижает электрическую мощность, поступающую на аккумулятор до минимума.
• Инвертор – предназначен для преобразования постоянного электрического напряжения, поступающего от фотоэлектрического элемента, в переменное, используемое в бытовых сетях. Они же позволяют владельцам солнечных батарей продавать избыток электричества от домашней электростанции. Рис. 2. Принцип реализации солнечной электроэнергии
• Соединительные провода – осуществляют передачу электроэнергии по всей электрической сети солнечной установки. В зависимости от места расположения, к ним предъявляются различные требования, к примеру, прокладываемые на улице должны быть устойчивыми к воздействию внешних факторов.

Несмотря на важность каждого элемента домашнего генератора свободной энергии, особое внимание следует уделить выбору фотоэлектрического модуля, так как от этого будет зависеть и продуктивность, и качество работы всей системы.

Выбор солнечной батареи

В качестве источника электроэнергии сегодня популярны три типа солнечных батарей:

• С поликристаллическим модулем – отличаются стабильными показателями генерации, не зависимо от интенсивности солнечных лучей. Также солнечные батареи на основе поликристаллического кремния отличаются сравнительно небольшим КПД – от 9 до 18%, в зависимости от производителя. Со временем КПД не снижается, но к недостаткам поликристаллических элементов следует отнести сравнительно небольшой срок службы – порядка 10 лет.
• С монокристаллическим модулем – такие панели неравномерно вырабатывают электричество в солнечную и пасмурную погоду, теряют мощность со временем эксплуатации. Но КПД автономного электроснабжения на основе монокристаллического кремния находится в пределах от 12 до 25%. А срок службы монокристаллических панелей составляет порядка 25 лет. Рис. 3. поликристаллический и монокристаллический модуль
• С аморфными кристаллами – используются в гибких пластинах, отличаются довольно низким КПД – порядка 6%. Максимальная мощность, заявляемая производителем, значительно снижается со временем эксплуатации и может упасть на 20 – 40%. Срок службы довольно низкий – не более 5 лет. Рис. 4: аморфный модуль

Выбор места и способа установки

Оптимальная генерация электрического тока обеспечивается при условии попадания достаточного количества солнечного света на поверхность панели, поэтому близлежащие постройки и деревья не должны ее затенять. То же касается и способа размещения их друг относительно друга – верхние или боковые панели не должны закрывать собой соседние. Оптимальная выработка электроэнергии достигается при перпендикулярном попадании лучей на фотоэлектрический преобразователь, что тоже должно учитываться при выборе места.

Наиболее часто для установки солнечных батарей используются:

• Крыши зданий – в зависимости от угла наклона, солнечные батареи могут располагаться как непосредственно на кровле, так и на специальной конструкции. Но далеко не каждый угол наклона подойдет для получения электричества, оптимальным считается от 0° до 40°. Рис. 5: солнечная батарея на крыше здания
• Отдельно стоящие опоры – подходят для дома с приусадебным участком, на котором есть место под дополнительную конструкцию. Рис. 6: отдельно стоящие солнечные батареи
• Стены – несмотря на горизонтальное положение, панель крепиться к наклонному каркасу. Рис. 7: солнечная батарея на стенах зданий
• Лоджия или балкон – для покрытия фотоэлементами подходят как стены, так и крыша. Рис. 8: солнечная батарея на балконе

Помимо открытого пространства, не забывайте, что выбранная конструкция должна выдерживать и вес солнечной батареи. Это особенно актуально для строящихся или модернизируемых зданий, дабы та же крыша не провалилась под весом домашней электростанции, солнечного коллектора и прочего крышевого оборудования. По отношению к сторонам света ее устанавливают с юга. Расположенные на земле, обязательно приподымаются над поверхностью грунта не менее чем на полметра.

Заметьте, скопление на солнечном модуле пыли, снега, листьев, продуктов жизнедеятельности животных и насекомых существенно снижает эффективность их работы. Поэтому место установки должно предусматривать возможность ухода и периодического технического обслуживания.

Этапы установки солнечных батарей

После того, как вы заготовили все необходимое для домашней электростанции, подобрали место и составили схему расположения панелей, переходите непосредственно к установке. Для этого:

• Соберите каркас – для этого подойдут любые прочные материалы (сталь, алюминий или дерево). Желательно использовать долговечные варианты, так как электростанция прослужит вам не один год. Рис. 9: Соберите каркас

В зависимости от места установки их можно изготавливать и собирать отдельно от монтажной площадки, но размеры должны учитывать габариты панелей заранее. Между крышей и батареей обязательно оставляйте воздушный зазор для вентиляции.

• Если модули в панелях не спаяны между собой, обязательно произведите данную процедуру. Выполняйте ее крайне аккуратно, так как хрупкие детали можно легко повредить. Рис. 10: спаяйте модули

Если вы приобрели готовые панели, в которых ничего спаивать не нужно, сразу переходите к монтажу.

• Установка готовых солнечных батарей не требует дополнительных манипуляций – главное надежно зафиксировать их на каркасе. Рис. 11: установите панели

Если вы собираете их из модулей, изготовьте основание из диэлектрического материала с отверстиями для вентиляции, установите клеевую основу и закройте герметичной прозрачной крышкой.

• Припаяйте соединительные провода – панели между собой могут соединяться как последовательно, так и параллельно, но главное, не забудьте установить запирающий диод в цепь питания каждой из них. Это предотвратит обратный разряд аккумулятора в цепь модуля после захода солнца.
• Подключите солнечную батарею к остальным элементам домашней электростанции.

Следует отметить, что положение солнца летом и зимой кардинально отличается, поэтому весьма эффективно выполнять регулировку угла наклона. Для этого можно предусмотреть соответствующий подвижный механизм в каркасе или опорном кронштейне.

Видео по теме