Солнечные батареи для дачи и дома: виды, принцип работы и порядок расчета гелиосистем

Применение солнечных батарей

Кроме космонавтики и обеспечения частных домов электроэнергией, панели или батареи солнечные применяют в следующих сферах:

• Автомобилестроение. Экологичный транспорт приобретает популярность, ведь выхлопы бензина и газов загрязняют атмосферу, а цены на топливо постоянно растут. Машины на солнечной энергии способны развивать скорость до 140 км/ч.
• Эксплуатация водного транспорта (барж, катеров, яхт). Такой транспорт можно встретить в Турции. Лодки развивают небольшую скорость (до 10 км/ч), и это позволяет туристом осмотреть достопримечательности и роскошные пейзажи этой страны.
• Энергообеспечение зданий. В развитых странах Европы многие муниципальные здания и сооружения полностью обеспечивают свои нужды с помощью энергии, которую выделяют солнечные панели.
• Самолетостроение. Благодаря наличию батарей, самолет в полете может длительное время не расходовать топливо.

Отрасль постоянно развивается. Уже изобрели зарядки для телефонов и ноутбуков, работающие от энергии Солнца.

Устройство солнечной батареи

Для того, чтобы солнечная батарея была способна преобразовывать свет солнца в ток, необходимы следующие элементы:

1. Фотоэлектрический слой, который играет роль полупроводника. Представлен двумя слоями разных по проводимости материалов. Здесь электроны способны переходить из области p(+) в область n (-). Это называется p-n переход;
2. Между двумя слоями полупроводников помещен элемент, который является по своей сути преградой для перехода электронов;
3. Источник питания. Он необходим для подключения к элементу, препятствующему переходу электронов. Он преобразовывает движение заряженных электронов, т.е. создает электрический ток. Аккумуляторная батарея. Аккумулирует и хранит энергию;
4. Контролёр заряда. Основной его функцией является подключение и отключение солнечной батареи исходя от уровня заряда. Более сложные устройства способны контролировать максимальный уровень мощности;
5. Преобразователь прямого тока в переменный (инвертор);
6. Устройство, стабилизирующее напряжение. Обеспечивает защиту системы солнечной батареи от скачков напряжения.

Солнечные батареи для частного дома: характеристики

Для частного дома, оптимальным вариантом будут солнечные батареи выполненные на основе кремния. Конечно, есть и другие виды, изготовленные из редких дорогих материалов с более хорошими характеристиками. Но они практически не используются в бытовой сфере, из-за высокой стоимостью и длительным сроком окупаемости. Поэтому их затрагивать мы сегодня не будем.

Монокристаллические солнечные батареи

Монокристаллические солнечные батареи отличаются тёмно-синим цветом внешней поверхности. Этот оттенок достигнут за счёт использования в основе высококачественного и чистого кремния.

Монокристаллические солнечные батареи для частного дома, обладают рядом положительных характеристик:

• В первую очередь это высокий КПД с показателем 20-25%.
• Во вторых, панели имеют не большие размеры с относительно высокой мощностью. Если сравнивать с поликристаллическими солнечными батареями.
• Заявленный срок службы таких изделий не меньше 30 лет, при соблюдении правил эксплуатации.

Недостатков здесь не так и много, но их стоит упомянуть:

• В первую очередь, это высокая стоимость монокристаллических солнечных батарей и соответственно длительный период окупаемости.
• Повышенная чувствительность к пыли. Загрязнённая поверхность не принимает, а рассеивает свет по сторонам, соответственно показатель КПД существенно снижается.

Завышенная стоимость монокристаллических солнечных батарей, объясняется уникальным расположением элементов кремния. Кристаллы расположены под определённым углом и соответственно могут принимать солнечные лучи только перпендикулярного направления относительно поверхности батареи. Поэтому монокристаллические батареи поставляются с дополнительным оборудованием, которое автоматически регулирует угол наклона панелей в течение дня.

Из-за сложной конструкции и необходимости в постоянно прямом солнечном свете, монокристаллические батареи устанавливаются на открытой или высокой местности.

Поликристаллические солнечные батареи

Поликристаллические солнечные батареи отличаются неравномерным синим оттенком из-за использования кремния среднего качества. В данном случае кристаллы располагаются под разным углом, соответственно КПД поликристаллических солнечных батарей ниже чем у монокристаллических.

Так же стоит отметить преимущества поликристаллических солнечных батарей:

• В первую очередь это высокий КПД при рассеянных солнечных лучах.
• Возможность монтажа на любую плоскую поверхность без дополнительного поворотного механизма.
• Относительно не высокая стоимость, по сравнению с предыдущим вариантом.
• Довольно продолжительный период эксплуатации, не меньше 15 лет.

Давайте вместе рассмотрим недостатки поликристаллических солнечных батарей для частного дома:

• Не высокий уровень КПД, максимум 15%.
• Довольно объёмные и тяжёлые панели с довольно не высокой мощностью.

Если проанализировать российский рынок, то поликристаллические солнечные батареи завоевали большую популярность. Скорей всего это обусловлено простотой конструкции и не высокой стоимостью.

Аморфные солнечные батареи

Аморфные солнечные батареи отличаются от предыдущих моделей как по составу так и методу изготовления. В данном варианте кремнии наносится на поверхность панелей тонким сплошным слоем и покрывается защитной плёнкой. Такой способ изготовления мало затратный и соответственно уровень эффективности довольно низкий. Уровень КПД у данных моделей не превышает 10%.

Единственное преимущество аморфных солнечных батарей, в том что они изготавливаются и на гибком основании тоже. Что позволяет их устанавливать на кровлю сложной формы. Но такие варианты на сегодня стоят довольно дорого при не высокой мощности.

Немного истории

Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века. Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций. Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.

Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной. Современные устройства напрямую преобразуют солнечные лучи в ток благодаря понятию фотоэлектрический эффект.

Современный принцип работы солнечной батареи был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы солнечной батареи на практике.

Из чего состоят солнечные батареи первого поколения

Конструктивно такие модули состоят из следующих элементов:

• металлического листа-основы – базового контакта;
• нижнего присадочного слоя кремниевого полупроводника с преобладанием электронов n-типа – за счет добавления фосфора;
• верхнего кристаллического слоя, насыщенного электронами р-типа – обычно, путем легирования бором;
• антиотражающего покрытия – для максимизации поглощения излучения; 
• тонкого металлизированного контакта сеточного типа с проводом для замыкания сети; 
• толстого защитного стекла – как правило, сверхпрочного закаленного;
• обрамляющей рамы.

Толщина монокристаллических Mono-Si или поликристаллических Poli-Si кремниевых пластин в ячейках составляет около 200-300 мкм. Срок службы оценивается в 20-25 лет, с падением производительности в среднем на 0,5% ежегодно. КПД при идеальных условиях освещения достигает 22-24% и резко снижается при высоких температурах либо частичном падении освещенности.

Устройство

Конструкция солнечной батареи очень проста.

Основу конструкции устройства составляют:

• корпус панели;
• блоки преобразования;
• аккумуляторы;
• дополнительные устройства.

Корпус выполняет исключительно функцию скрепления конструкции, не имея больше никакой практической пользы.

Основными элементами являются блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний. Можно сказать, что состоят солнечные батареи, устройство и принцип работы которых всегда одинаковый, из каркаса и двух тонких слоев кремния, который может быть нанесен на поверхность, как монокристаллическим, так и поликристаллическим методом.

От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность. Если кремний наносится монокристаллическим способом, то эффективность батареи будет максимально высокой, как и стоимость.

Если говорить о том, как работает солнечная батарея, то не нужно забывать об аккумуляторах. Как правило, используется два аккумулятора. Один является основным, второй — резервным. Основной накапливает электроэнергию, сразу же направляя ее в электрическую сеть. Второй накапливает избыточную электроэнергию, после чего направляет ее в сеть, когда напряжение падает.

Среди дополнительных устройств можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата.

Очень важными элементами солнечной назвать диоды. Данный элемент устанавливается на каждую четвертую часть блока преобразователей, защищая конструкцию от перегрева из-за избыточного напряжения. Если диоды не установлены, то есть большая вероятность, что после первого дождя система выйдет из строя.

Особенности установки

Есть ряд советов для владельцев частных домов, собирающихся использовать солнечные станции:

• Батареи лучше установить на южной части крыши или фасада либо на участке, который ориентирован на юг.
• Угол наклона выбирается в соответствии с широтой конкретного региона.
• Избегайте близости объектов, которые создают тень для солнечных панелей.
• Поверхность батарей нуждается в регулярной очистке от запыления и грязи.

Самые хорошие станции оснащаются системами отслеживания нахождения солнца. Очевидно, что солнечное излучение играет здесь главную роль, и не каждый регион имеет пригодные для этого условия

Важно учесть инсоляцию – сколько света доходит до земной поверхности на местности, где расположен «солнечный» дом

Предыдущая
Альтернативные источникиЭффективная солнечная батарея своими руками
Следующая
Альтернативные источникиКак правильно осуществить установку солнечных батарей

Спасибо, помогло!Не помогло

Солнечные батареи для дома: типичные ошибки новичков

При установке систем альтернативных источников энергии впервые, многие обращаются в компании по установке солнечных батарей. Если Вы новичок в этом вопросе, то прочтите, пожалуйста, статью до конца. И постарайтесь, научиться на чужих ошибках.

Что учесть, обращаясь в компанию по установке солнечных батарей

Ошибка первая: жадность

Самой распространенной ошибкой новичков при установке альтернативного источника энергии является желание заполучить систему определенной мощности. Ну, к примеру: чтобы хватило и на телевизор, и на холодильник и еще много на что. В этом случае, Вы заплатите не менее 150 тысяч рублей только за саму гелиосистему. Не забудьте прибавить оплату за монтаж. А прослужит такая установка не более года.

Оказывается, не стоит жадничать и торопиться. Так как система модульная, то без особых проблем можно добавлять солнечные батареи и аккумуляторы по мере необходимости и по мере роста Ваших потребностей, а не по желанию продавца. Нет никакой нужды одномоментно платить за солнечную систему максимально необходимой мощности.

Целесообразно купить солнечную батарею минимально-требуемой мощности в феврале или ранней весной. Опробовать и проверить систему на деле, набраться опыта по рациональному использованию. А уже осенью добавить необходимое количество модулей, увеличив площадь солнечных батарей (желательно эту возможность заранее предусмотреть!). Причем, выполнить работу по монтажу можно будет и самостоятельно. Тем более, что Вы уже видели как это делается. К слову, в осенне-зимний период возможны существенные скидки. Между прочим, солнечные батареи на 12 вольт легко помещаются на заднем сидении легкового автомобиля.

Ошибка вторая: неправильный выбор рабочего напряжения солнечной батареи

При установке солнечных батарей, следует грамотно подобрать рабочее напряжение и соответствующие аккумуляторы. Так, установив солнечные батареи на 24 или 48 вольт Вы испытаете ряд неудобств:

• необходимость тщательного подбора одинаковых аккумуляторов (поскольку нельзя подключать последовательно АКБ разных производителей, неодинаковой емкости и даты выпуска. То есть придется приобретать аккумуляторы попарно!
• приобретение энергосберегающих светодиодных ламп на 24 вольта, а тем более на 48 вольт затруднительно
• придется отказаться от унифицированных электрических устройств на 12 вольт (а это: сигнализация, насосы, зарядки для телефонов, радиоприемники и т. п. приборы)

Солнечные батареи для дома: что надо знать новичкам?

Ошибка третья: надежды на инверторы

Еще одна распространенная ошибка новичков, устанавливающих солнечные батареи для дома: запитать все через инвертор, то есть одна сеть с напряжением 220 вольт. Но поскольку кпд инверторов, в реальной жизни всего 75-80%, то лучше предусмотреть гибридную проводку: 12В и 220В. Кстати, ее можно запустить в одном кабеле. И теперь, все что может работать от 12В, пусть запитывается от 12В на здоровье (а это: освещение, телевизор, спутник и многое другое). Такое решение сократит потери энергии более чем на 30 %. Тем самым снизит мощность солнечных батарей и емкость АКБ.

Ошибка четвертая: выбор АКБ

Впервые устанавливая солнечные батареи для дома стоит остерегаться, когда Вам «впихивают» всевозможные модели аккумуляторов глубокого разряда. Таких не существует, за исключением щелочных, которые устанавливали раньше на тепловозы и электрокары. Особо следует отметить гелевые аккумуляторы. Мало того, что стоят они недешево, но с учетом следующих факторов, их не следует применять в принципе, а именно:

1. в силу гелевого состояния электролита, такие аккумуляторы плохо вступают в электро-химический процесс
2. при отрицательных температурах окружающего пространства, гель переходит в состояние парафина. Сами посудите, что из этого выйдет в морозную погоду

Ошибка пятая: неверная установка солнечных батарей

Солнечные батареи для дома будут работать эффективно, если грамотно и правильно их установить. Существует ряд нюансов, не соблюдая которые никогда не получится сэкономить на использовании альтернативной энергии:

• несоблюдение азимута
• невыверенный угол наклона модулей
• отсутствие контроля температурного режима

Установка солнечных батарей — реальная возможность сэкономить

Установка

Монтировать панели допускается практически как угодно – вертикально, горизонтально, под наклоном. Однако следует учитывать, что максимальную отдачу модули дают при падении солнечных лучей на рабочую поверхность перпендикулярно. При этом нужно обеспечить и максимальное время облучения.

Отсюда – некоторые рекомендации по установке:

• Ориентировать фотоприемники на юг.
• Располагать панели под углом, равным широте местности.
• Изменять (по возможности) угол наклона на 20% — увеличивать зимой и уменьшать летом.

Следует также позаботиться, чтобы в течение всего светового дня модули не подвергались затенению деревьями на участке или другими зданиями. В этом случае удастся обеспечить максимальную мощность генерации. Особенно критично это для монокристаллических батарей, отдача которых существенно снижается в рассеянном свете.

Как добиться максимальной эффективности

При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час

В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.

Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.

Каждый день солнце светит в среднем по 9 часов, если брать среднегодовой показатель. За один день квадратный метр поверхности преобразователя способен выработать 1 киловатт электроэнергии. Если за сутки жильцами дома израсходуется приблизительно 20 киловатт электроэнергии, то минимальная площадь солнечных панелей должна составлять приблизительно 40 квадратных метров.

Однако, такой показатель потребления электроэнергии на практике встречается редко. Как правило, жильцы израсходуют до 10 кВТ в сутки.

Если говорить о том, работают ли солнечные батареи зимой, то стоит помнить, что в данную пору года сильно снижается длительность светового дня, но, если обеспечить систему мощными аккумуляторами, то получаемой за день энергии должно быть достаточно с учетом наличия резервного аккумулятора.

При подборе солнечной батареи очень важно обращать внимание на емкость аккумуляторов. Если нужны солнечные батареи работающие ночью, то емкость резервного аккумулятора играет ключевую роль. Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке

Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке.

Несмотря на тот факт, что стоимость установки солнечных батарей может превысить 1 миллион рублей, затраты окупятся уже в течении нескольких лет, поскольку энергия солнца абсолютно бесплатна.

История возникновения солнечных электростанций

Солнечная энергия привлекала человека тем, что это практически бесконечный источник энергии. Такие аккумуляторные панели — это альтернативный способ обуздать энергию солнца. Первой попыткой было создание термальных электростанций, принцип работы солнечной батареи заключался в том, что энергия солнца нагревала воду до состояния кипения, а образующийся при этом пар крутил лопасти турбины, производящей электричество.

В случае с солнечными панелями коэффициент полезного действия (КПД) выше поскольку производится прямая трансформация тепловой энергии солнца в электрическую, минуя стадии предобразования энергии на нагрев пара вращения вала турбины (при этом увеличиваются потери энергии за счет силы трения). Солнечная батарея состоит из цепи полупроводниковых фотоэлементов, которые под воздействие м солнечного света вырабатывают электроэнергию. Этот процесс в физике называется фотоэлектрическим эффектом.

Это свойство впервые было открыто французским физиком Александром Беккерелем (в честь которого также была названа единица измерения радиоактивности в Международной системе единиц) в 1839 году. А первый прототип подобной электростанции был создан спустя 50 лет русским ученым Александром Столетовым. Дальнейшее развитие и объяснение фотоэлектрического эффекта было описано Альбертом Эйнштейном. Спустя несколько лет был запатентован проект по созданию типовых солнечных батарей.

Принцип работы

Конструкция множества солнечных батарей сделана по принципу, что они в физическом смысле являются фотоэлектрическими преобразователями. Электрогенерирующий эффект проявляется в месте «p–n» перехода.

Чтобы сконцентрировать в себе солнечную энергию, полупроводники выполнены в форме панелей. По этой причине эти конструкции получили одноимённое название в независимости от их формы (гибкие или статичные) — солнечные панели.

По какому принципу работают солнечные панели и системы на их основе? Панель включает в себя 2 кремневые пластины с различимыми друг от друга свойствами. Процесс вырабатывания электроэнергии происходит так:

1. Воздействие солнечных лучей на первую приводит к недостаче электронов.
2. При воздействии на вторую пластину, та получает избыток электронов.
3. К пластинам подведены полосы из меди, проводящие ток.
4. Полосы подключаются к преобразователям напряжения с встроенными АКБ.

Основа — это кремниевые пластины. Но чтобы данную конструкцию использовать в качестве источника бесперебойного питания (а не только во время солнцестояния), к ней подключаются не дешевые аккумуляторы (с их помощью подключенные к сети объекты расходуют энергию ночью).

В промышленности конструкция для поглощения энергии Солнца сделана из многочисленных ламинированных фотоэлектрических ячеек, связанных друг с другом и поставленных на гибкой или жесткой подставке.

Коэффициент полезного действия конструкции вычисляется исходя из применения разных факторов. Основными являются — чистота задействованного кремния и размещение кристаллов.

Процесс очищения кремния довольно сложен, да и расположить кристаллы в единой направленности не легко. Сложность процессов, отвечающих за повышение КПД конвертируется в высокую цену за подобное оборудование.

Солнечные панели — перспективное направление в энергетике, поэтому в исследования новых проектов в этой сфере инвестируется многомиллиардные вложения. Каждый квартал коэффициент фотоэлектрического преобразования повышается, благодаря манипуляциям с проводниками и элементами конструкции. При этом, за основу может браться не только кремний.

Космические СЭС будущего

Еще одной невероятно перспективной сферой применения солнечных батарей в космосе является создание в ближайшем будущем масштабных орбитальных электростанций. Причина такого интереса к данному проекту в следующем:

1. Мощность потока излучения нашего светила, направленного в сторону земли, в тысячи раз превосходит всю потребляемую человечеством энергию.
2. Размещение любого количества гелио панелей на орбите ничем не ограничено. Теоретически из них можно образовать огромные поля площадью с миллионы квадратных километров.
3. Генерация энергии будет происходить в режиме 365/24/7, с возможностью передачи ее на землю по микроволновому лучу.

В настоящий момент единственным препятствием реализации такого проекта является его запредельная стоимость. Однако в будущем, с появлением технологий вроде «космического лифта», вывод на орбиту грузов подешевеет примерно в 1000 раз. И тогда создание подобных «СЭС будущего» может превратиться в реальность.

Сколько стоят солнечные батареи

Чтобы подсчитать, насколько дешевле станет потребление электроэнергии при помощи солнечных батарей, необходимо быть полностью проинформированным по ценам за комплект и будущих вложениях на монтаж и обслуживание. Универсальную стоимость в принципе назвать невозможно, поскольку на формирование цены влияет множество факторов.

Наиболее низкая цена основного компонента ФСЭ (солнечная батарея) с соответствующим качеством составляет примерно 60 рублей за 1 Ватт. Поэтому за батарею на частный дом с мощностью 100 Вт потребуется выложить 6000 рублей.

В комплекте установки могут быть включены разные компоненты, в зависимости от мощности и группы оборудования. То есть, в коробке могут присутствовать модуль зарядки, инвертор, аппаратура для соединения компонентов и станция для хранения энергии. Так, ФСЭ с вырабатываемой мощностью 2 кВ для частного дома будет стоить от 120 тысяч рублей.

Согласно последним статистическим исследованиям рынка ФСЭ, соотношение стоимости на единицу электроэнергии достигает до 9 раз. Так что электричество, полученное за счет собственной электростанции, будет в 9 раз дешевле, чем при получении нго через централизованную сеть.

Эффективность солнечных батарей зимой

Вы, наверное, удивитесь, но зимним днем на вертикальную поверхность падает всего в 1,5-2 раза меньше энергии, чем летом. Это данные для средней полосы России. За сутки картина хуже: за этот период летом получаем в 4 раза больше энергии

Но обратите внимание: на вертикальную поверхность. То есть на стену

Если говорить о горизонтальной поверхности, тут разница уже в 15 раз.

Самая печальная картина по выработке электроэнергии солнечными батареями ожидает вас не зимой, а осенью: в пасмурную погоду их эффективность ниже в 20-40 раз, в зависимости от плотности облачного покрова. Зимой же, после того выпал снег, инсоляция (количество света, падающего на батареи) в солнечные дни может приближаться к летним значениям. Потому зимой солнечные системы для дома вырабатывают больше электроэнергии, чем осенью.

Получается, чтобы зимой добиться близкой к максимальной эффективности, нужно располагать солнечные батареи вертикально или почти вертикально. И, если их вешать на стены, то желательно на юго-восточные: утром по статистике чаще бывает ясная погода. Если юго-восточной стены нет, или ничего на ней установить невозможно, выйти из положения можно сделав специальные подставки. Тогда  ставят солнечные батареи на крыше. Так как угол падения солнечных лучей в зависимости от сезона меняется, желательно сделать подставку с регулируемым углом наклона. Есть возможность — разверните солнечные панели «лицом» на юго-восток, нет такой возможности, пусть «смотрят» на юг.

Одна из систем монтажа