Солнечные батареи для обогрева и электрификации дома

Многофункциональность

Схема работы солнечного электроснабжения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Преимущества и недостатки солнечных батарей

Принимать решение об установке солнечного отопления в своем доме следует взвешено, оценив все возможные плюсы и минусы, так как покупка модулей, дополнительных приборов и их монтаж стоят не малые деньги. К недостаткам этих систем относятся:

• Сложность применения в областях с постоянной облачностью и частыми осадками. Серьезной помехой для хорошей работы модулей является снег. Его нужно будет постоянно убирать, так как рабочая поверхность должна быть всегда открытой.
• Необходимость большого количества свободного места для установки (чаще всего их размещают на крыше).
• Высокая цена.
• Небольшой КПД во время непогоды.
• Покупка дополнительных устройств для получения переменного тока — инверторов (батареи производят только постоянный ток) и аккумуляторов для накопления энергии.
• Длительный срок окупаемости.
• Необходимость очистки от снега, грязи и пыли. При загрязнении эффективность работы резко снижается. Снег убирать придется постоянно, а протирать грязь 2 или 3 раза в год.

Преимуществами использования энергии солнца для отопления помещений являются:

• Экологичность. Использование альтернативного вида топлива позволяет сделать воздух чище, так как не происходит выделение продуктов сгорания.
• Возможность регулировки температуры.
• Независимость от служб ЖКХ и обогрев дома тогда, когда вы этого хотите.
• Избытки и запасы энергии для бытовых нужд.
• Большой срок службы.
• Не нужно платить за электроэнергию.
• Не нужно пополнять запасы топлива, так как солнечное излучение не закончится.

Определение потерь электроэнергии в домашней системе

Величину этих потерь учитывает Кпот. Эти потери могут быть в:

1. Проводах. Величина составляет 1%.
2. . Составляют от 3 до 7%.
3. Шунтирующих диодах (0,5%).
4. Самой батареи при очень малом солнечном излучении (1-3%).

Также потери электроэнергии могут возникать из-за сильного нагрева модуля (составляют 4-8%) и из-за наличия грязи на солнечных панелях или их потемнений (1-3%).

Автономная электрическая система для дома считается оптимальной, если общие потери не превышают 15%. Тогда срок окупаемости сокращается, а также аккумуляторы накапливают больше тока. Кпот составляет 0,85. Однако плохое качество оборудования или неграмотный выбор комплектующих может привести к 30-процентным потерям. Кпот уже составит 0,7.

Положительные и отрицательные стороны

Использование альтернативного отопления частных домов имеет свои неоспоримые преимущества. Установка и последующая эксплуатация солнечных модулей обладает следующими положительными сторонами:

• Продолжительный эксплуатационный срок – до 25-40 лет без необходимости дорогостоящих профилактических работ
• Лишнюю накопленную и переработанную солнечную энергию можно будет расходовать на другие нужды
• Независимость от служб ЖКХ и значительное уменьшение счетов за отопление
• Дом будет обогреваться на протяжении всего года

Однако имеются некоторые нюансы, которые ограничивают эксплуатацию отопления на солнечных батареях. Самый первый из них – географическое проживание. В том или ином районе солнце греет по-разному. Если оно появляется через сутки или лишь на пару часов в день, переоборудовать отопительную систему становится экономически невыгодно и следует подумать о других альтернативных источниках энергии (тепловые насосы, ветряные станции, биологическое топливо).

Клик для увеличения

Среди прочих отрицательных сторон можно отметить:

• Высокие первоначальные затраты
• Сложность монтажа оборудования
• Необходимость в резервном источнике отопления

Типы солнечных панелей

Чтобы добиться самой высокой производительности, нужно выбирать такие элементы, которые подходят для вашей местности. Существует несколько их разновидностей, которые отличаются структурой рабочей поверхности фотоэлемента и технологией изготовления.

1. Фотоэлементы с использованием аморфного кремния. По-другому их еще называют пленочными покрытиями. С развитием нанотехнологий это направление, возможно, станет более перспективным, но пока такие панели не имеют большого промышленного производства. Сложность заключается в создании у кристаллов кремния одинаковой направленности по всей толщине рабочего слоя, который составляет 80−100 микрон.
2. Фотоэлементы с использованием монокристаллического кремния. Самые дорогостоящие и производительные батареи, способны удовлетворительно работать при сильной облачности. Их изготавливают, используя медленное остывание кремниевого расплава. При этом получается слиток, который с одной стороны является монокристаллом, а с другой стороны — однороден. После остывания слиток разрезается на пластины и для создания нужной структуры поверхности его подвергают нескольким видам термообработки. Цвет таких пластин обычно темно-синий.
3. Фотоэлементы с использованием поли— или мультикристаллического кремния. При производстве используется технология получения центров кристаллизации, и, как следствие, небольших кристаллов в слитке. Термообработку эти пластины проходят ту же, что и монокристаллические, но их электротехнические показатели первых значительно уступают вторым. Зато и цена на них существенно ниже. Внешне их можно отличить по наличию участков, различающихся по оттенкам и очертаниям.

Преобразование световой энергии

В настоящее время использование энергии Солнца стало актуальной задачей. Ведь это самый дешевый и экологически чистый способ получения электроэнергии и тепла. По сравнению с ТЭС, конечная цена электроэнергии для потребителя обходится на 80% дешевле. Потребность в альтернативных источниках недорогой электроэнергии повысила спрос на солнечные батареи, а конкуренция между производителями дала стимул научным разработкам новых технологий.

Существует 3 способа преобразования световой энергии, которые уже широко применяются по всему миру.

Солнечные коллекторы

Это самый простой способ с применением недорогого оборудования. Принцип действия заключается в нагревании воды Солнцем. Такие установки до недавнего времени применялись в основном только в жарких странах для горячего водоснабжения. Современные коллекторы, произведенные в России, рассчитаны для эксплуатации в северных регионах. При температуре на улице — 10°C в ясную погоду они нагревают воду до 80-90°C.

Солнечные реакторы

Сравнительно новая технология, которая активно внедряется в Германии. Изначально установка была задумана для получения дешевого водорода без причинения вреда окружающей среде. Сам водород ‒ это самое экологическое топливо. В отличие от углеводородов, продукт его сгорания ‒ обыкновенный водяной пар (H₂ + 0,5 O₂ → H₂O). В ходе разработок был получен целый энергетический комплекс, способный обеспечить частное хозяйство электроэнергией, горячим водоснабжением и отоплением. В хорошую погоду электроэнергию вырабатывают батареи, а излишки энергии расходуются на получение водорода. При недостатке генерированного электричества, в ход пускается накопленный водород. Ведущие производители таких комплексных систем ‒ это компании HPS Home Power Solutions GmbH и CNX Construction.     

Солнечные панели

Прямое преобразование энергии Солнца в электрическую постоянно совершенствуется и расширяется. Стремительный рост внедрения СЭС подтверждается статистикой. В 2005 общая мощность солярных проектов составляла всего 5 ГВт, а уже в 2014 – 150 ГВт. Сегодня в мире существует множество таких электростанций, самые крупные из которых:

• «Топаз», Калифорния – 1096 МВт;
• «Agua Caliente», Аризона – 626 МВт;
• «Mesquite», Аризона – 413 МВт;
• «Solar Ranch», Калифорния – 399 МВт;
• «Хуанхэ», Цинхай – 317 МВт;
• «Каталина», Калифорния – 204 МВт;
• «Xitieshan», Цинхай – 150 МВт;
• «Нинся Qingyang», Нинся – 150 МВт;
• «Перово», Крым – 133 МВт;
• «Серебро», Невада – 122 МВт.

В России в настоящий момент работает 23 СЭС общей мощностью 250,318 МВт. К тому же применяемое оборудование постоянно модернизируется, а мощности наращиваются.

Кроме крупномасштабных энергетических проектов, солнечные батареи все больше применяются в быту и в различного рода устройствах. Их устанавливают на крышах частных домов, на опорах уличного освещения, встраивают в портативные зарядные устройства, вычислительную технику и автономные приборы освещения для придомовой территории.

Среди самых необычных решений можно отметить велодорожку в Нидерландах и километровый участок автодороги во Франции, выполненные с покрытием из фотоэлементов, а в Корее разработали батарею-имплантат. Он в 15 раз тоньше волоса, предназначен для вживления под кожу и способен питать имплантированные приборы.

Принцип действия

Светоприёмная панель состоит из ячеек (модулей), которые выполняются из двуслойного полупроводникового материала, обладающего свойством фотопроводимости. Верхний слой полупроводника типа «n» имеет отрицательный потенциал, а нижний типа «p» ‒ положительный. При попадании на верхний слой лучей света происходит внешний фотоэффект. Другими словами, полупроводник «n» начинает отдавать электроны. В это же время нижний слой «p», наоборот, способен захватывать электроны. Таким образом, если замкнуть цепь, подсоединив нагрузку к слоям, электроны, покинувшие верхний слой, устремятся через нагрузку к нижнему слою. Затем через p-n переход опять возвращаются в верхний слой.

Широта и долгота глубина проблемы

Представьте, что Вы – учёный. Вам попадается интересная статья, но результаты/эксперименты не могут быть воспроизведены в лаборатории. Логично написать об этом авторам оригинальной статьи, спросить совета и задать уточняющие вопросы. Согласно опросу, менее 20% делали это когда-либо в своей научной карьере!

Авторы исследования отмечают, что, возможно, такие контакты и разговоры слишком сложны для самих учёных, потому что вскрывают их некомпетентность и несостоятельность в тех или иных вопросах или раскрывают слишком много деталей текущего проекта.

Более того, абсолютное меньшинство учёных попыталось опубликовать опровержение невоспроизводимых результатов, сталкиваясь при этом с противодействием со стороны редакторов и рецензентов, которые требовали преуменьшить сравнение с оригинальным исследованием. Стоит ли удивляться, что шанс сообщить о невоспроизводимости научных результатов составляет порядка 50%.

Первый вопрос: Пытались ли Вы воспроизвести результаты эксперимента?

Второй вопрос: Пытались ли Вы опубликовать свою попытку воспроизвести результаты?

Может быть стоит тогда внутри лаборатории хотя бы проводить проверку на воспроизводимость? Самое печальное, что треть респондентов даже НИКОГДА и не задумывалось о создании методик проверки данных на воспроизводимость. Только 40% указало, что они регулярно пользуются такими методиками.

Вопрос: Разрабатывали Вы когда-либо специальные методики/тех.процессы для улучшения воспроизводимости результатов?

Другой пример, биохимик из Соединённого Королевства, которая не пожелала раскрывать своё имя, говорит, что попытки повторить, воспроизвести работу для её лабораторного проекта просто удваивают временные и материальные затраты, ничего не давая и не привнося нового в работу. Дополнительные проверки проводятся лишь для инновационных проектов и необычных результатов.

И конечно же, извечные русские вопросы, которые стали пытать зарубежных коллег: кто виноват и что делать?

Как сделать откатные ворота: пошаговая инструкция

Теплые полы из ГВЛ. Технология укладки гипсокартона на деревянные балки

Стоимость системы

Фиксированной стоимости индивидуального отопления с использованием солнечных коллекторов не существует, так как в ней всегда присутствует котел, и каким он будет – напольным или настенным, конденсационным или традиционным, газовым, дизельным или электрическим – решается под каждый конкретный дом. Также, как и в любой другой отопительной системе, цена будет складываться из таких показателей, как площадь дома, расчет теплопотерь, наличие и площадь теплых полов.

В случае с организацией горячего водоснабжения посредством подключения солнечных коллекторов, существуют разработанные пакетные предложения, так как необходимый объем воды можно классифицировать по количеству проживающих в доме людей и общему числу потребителей. Например, стоимость системы горячего водоснабжения с использованием плоского солнечного коллектора немецкой компании Huch EnTEC составит около 165000 рублей. В эту сумму входят также все необходимые крепепжи, термостатический смеситель, группа подключения расширительного бака, бивалентный водонагреватель, группа безопасности водонагревателя, незамерзающий теплоноситель для гелиосистемы.

Типы солнечных панелей

Чтобы добиться самой высокой производительности, нужно выбирать такие элементы, которые подходят для вашей местности. Существует несколько их разновидностей, которые отличаются структурой рабочей поверхности фотоэлемента и технологией изготовления.

1. Фотоэлементы с использованием аморфного кремния. По-другому их еще называют пленочными покрытиями. С развитием нанотехнологий это направление, возможно, станет более перспективным, но пока такие панели не имеют большого промышленного производства. Сложность заключается в создании у кристаллов кремния одинаковой направленности по всей толщине рабочего слоя, который составляет 80−100 микрон.
2. Фотоэлементы с использованием монокристаллического кремния. Самые дорогостоящие и производительные батареи, способны удовлетворительно работать при сильной облачности. Их изготавливают, используя медленное остывание кремниевого расплава. При этом получается слиток, который с одной стороны является монокристаллом, а с другой стороны — однороден. После остывания слиток разрезается на пластины и для создания нужной структуры поверхности его подвергают нескольким видам термообработки. Цвет таких пластин обычно темно-синий.
3. Фотоэлементы с использованием поли— или мультикристаллического кремния. При производстве используется технология получения центров кристаллизации, и, как следствие, небольших кристаллов в слитке. Термообработку эти пластины проходят ту же, что и монокристаллические, но их электротехнические показатели первых значительно уступают вторым. Зато и цена на них существенно ниже. Внешне их можно отличить по наличию участков, различающихся по оттенкам и очертаниям.

Достоинства и недостатки

Среди главных преимуществ составов на основе эпоксидных смол можно выделить следующие:

• простоту использования (для выполнения работ не требуются квалификация и специальное оборудование);
• способность мягких по консистенции составов эффективно склеить детали сложной геометрической формы;
• привлекательный вид шва;
• отсутствие нагрева материала, изменения его структуры;
• возможность использования в пожаро- взрывоопасных помещениях;
• большое количество составов (существуют водостойкие, термостойкие смеси, что дает возможность использовать их для разных целей);
• возможность соединять детали из разных металлов (например, из алюминия и меди);
• высокая оперативность ремонта (подготовка и монтажные работы не занимают много времени).

Основные недостатки:

1. Прочность шва уступает соединениям, выполненным с помощью традиционной сварки.
2. Для обеспечения надежного сцепления необходима очистка склеиваемых поверхностей.
3. С помощью эпоксидных смол нельзя заделать большие по площади повреждения.

Системы на основе биологической энергии

Но разработки не останавливаются, а ученые обещают, что в ближайшем будущем получать энергию от биологических солнечных систем.

Варианты таких батарей впечатляют:

1. Лампа дневного света, работающая от обычного лесного мха.
2. Электростанции в виде больших листьев.
3. Панели из растений для домашнего пользования.
4. Мачты из растений, из которых будут добывать электроэнергию и многое другое.

Надеемся на то, что в скором будущем гелиосистемы нового поколения будут использоваться по максимуму. Это даст возможность обеспечить электроэнергией каждый дом на планете, без вреда для окружающей среды.

Смотрите видео, в котором рассказывается о солнечных батареях нового поколения:

https://youtube.com/watch?v=HyvdsczY3NI

Достоинства и недостатки солнечного отопления

К достоинствам солнечных отопительных систем можно смело отнести следующие качества:

1. Экологичность. Впитывание и преобразование солнечной энергии происходит без каких-либо выбросов вредных веществ, поэтому можно говорить о полной экологической чистоте таких систем.
2. Автономность. Солнечное тепло обходится совершенно бесплатно, что позволяет не думать о текущем уровне цен на энергоносители и необходимости их подведения к своему частному дому.
3. Экономичность. Комбинирование традиционного и альтернативного отопления позволяет неплохо сэкономить в процессе эксплуатации. Если же использовать только солнечное отопление, то все затраты сводятся к приобретению необходимых элементов системы и их обслуживанию.
4. Доступность. Солнечные коллекторы и батареи не нужно согласовывать с какими-либо государственными органами, поскольку работа подобных систем автономна и не представляет какой-либо опасности.

Из недостатков главным образом выделяются следующие качества:

1. Длительный период определения эффективности. Чтобы понять, насколько солнечная система эффективна и выгодна в конкретных условиях эксплуатации, ей необходимо проработать хотя бы 3 года.
2. Высокая стоимость оборудования. Солнечные батареи и комплектующие к ним на сегодняшний день стоят довольно дорого, поэтому без существенных изначальных вложений обойтись не удастся.  
3. Зависимость от внешних условий. Если климат в географической локации, где установлены коллекторы, не отличается большим количеством солнечных дней, то установка солнечных устройств может даже оказаться нецелесообразной.
4. Необходимость резервного отопления. Чтобы отопительная система была надежной, ее необходимо обязательно продублировать (дублирующим контуром обычно выступает именно солнечный обогрев).
5. Требовательность к обслуживанию. Солнечные коллекторы нужно качественно обслуживать, постоянно проводя профилактические и очистительные работы. Запуск системы при отрицательных температурах возможен только в том случае, если она и сам дом имеют надежную защиту от холода.

Как добиться максимальной эффективности

Для того чтобы работа солнечной электростанции была максимально эффективна, при ее постройке и монтаже необходимо учитывать некоторые особенности солнечных панелей

Особо следует обратить внимание на следующие моменты:

1. Температура. Чем ниже температура окружающего воздуха и самой панели, тем она эффективнее. Поэтому не загораживаем солнечные элементы от ветра и тем более не помещаем в стеклянный аквариум для дополнительной защиты. О защите от окружающей среды уже побеспокоились производители.
2. Тень. Устанавливаем батареи в месте, где в течение всего светового дня не будет тени. Стоит элементам попасть в тень, как эффективность их упадет на 50-60%.
3. Угол наклона. Наиболее эффективно панель работает тогда, когда солнечные лучи на нее падают под прямым углом. Точно, конечно, его выдержать не удастся – солнце движется. Поэтому выставляем прямой угол в полдень в середине весны. Это будет оптимально.
4. Пыль. Регулярно очищаем панель от пыли и прочего мусора. Даже слой пыли, малозаметный на глаз, задерживает до 40% солнечных лучей. Поэтому не ленимся, берем шланг и «купаем» наши батареи.
5. Отражение. Если элементы закрыты обычным стеклом, то часть света от него просто отражается, не добравшись до фотоэлементов. Особенно этот эффект проявляется утром и вечером, когда угол падения лучей небольшой. Частично с этим можно бороться при помощи антибликового покрытия. Если есть такая возможность, стоит купить именно такие панели. Стоить это будет ненамного дороже, а эффект окажется весьма ощутимым.
6. Контроллер. КПД солнечной электростанции сильно зависит от того, насколько эффективно используется вырабатываемая панелью энергия. Именно этим и занимается контроллер, который может быть двух типов: ШИМ и MPPT. Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что второй тип намного предпочтительнее, поскольку он следит за точкой максимальной мощности, постоянно удерживая ток и напряжение на оптимальном для текущей освещенности значении. ШИМ же контроллер лишь регулирует величину напряжения, поступающего с панели, тем самым оптимизируя ток зарядки АКБ.

Преимущества и недостатки

К достоинствам можно отнести:
Экологичность. Никаких выхлопов, выбросов и копоти. Только чистая энергия и свежий воздух.
Удобство. Солнечная электростанция не тарахтит, как бензиновый движок, и не коптит прямо под окном. Она практически не требует обслуживания и расходных материалов. Кроме того, мы абсолютно не зависим от прихотей энергопоставляющих компаний и аварий на линии.
Длительный срок службы. Единственным слабым звеном у солнечной электростанции является аккумулятор, срок службы которого исчисляется несколькими годами. Сами солнечные панели могут работать десятилетиями. Конечно, и они со временем деградируют, но будучи изготовленными хорошим производителем, лет 15-20 особых проблем доставлять не будут.

Ну а теперь о недостатках:
Стоимость. Солнечные панели постоянно дешевеют, но все еще довольно дороги. К примеру, батарея из поликристаллов (не самый дорогой вариант) мощностью 300 Вт обойдется примерно в 7-8 тысяч рублей. Киловаттный инвертор, изображенный на фото выше, стоит примерно так же. Ну и плюс аккумулятор и контроллер.
Зависимость от погоды. Если непогода затянется, то мы можем оказаться без света. Перспектива не из приятных.
Климатический пояс. Этот пункт напрямую связан с предыдущим. Если в вашем регионе постоянные дожди и туманы, а солнышко показывается раз в неделю, то толку от солнечной электростанции будет немного.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что пока рано говорить о «даровой» солнечной энергии. Тем не менее такой вариант будет отличным выходом из положения, когда других вариантов (простите за каламбур) нет. Неэлектрифицированные дачи, охотничьи домики, удаленные пасеки… да мало ли объектов, куда провести линию электропередач нет возможности. Тот же поход в Гималайские горы. Взял панель, свернутую в трубочку, и аккумулятор от мопеда. Контроллер в карман, инвертор не нужен. И свет, и музыка, и связь, и даже ноутбук.

Вот мы и выяснили, какими бывают солнечные батареи, из чего состоят, как работают и что умеют. Возможно, кто-то, прочтя эту статью, задумается о постройке солнечной электростанции.

Сейчас читают:

Рейтинг лучших power bank на солнечных батареях

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?

Как работает беспроводная зарядка — устройство и принцип действия

Нужно ли отключать ноутбук от сети если батарея заряжена

Сколько служит батарея на Nissan Leaf и можно ли её заменить?

Видео-обзор эффективности паровой швабры