Солнечные батареи для дома

Варианты конструкций

На практике, видов расположения солнечной панели всего два:

1. Неподвижный.
2. Подвижный.

При неподвижной установке фотоэлектрического модуля обеспечить следование модуля за солнцем практически невозможно. Самый простой пример такой установки – монтаж солнечных панелей в плоскости крыши. Чуть более продвинутый вариант, позволяющий поймать больше солнечной энергии – установка на кронштейны, обеспечивающие заранее рассчитанный оптимальный угол. Иногда такое устройство позволяет вручную менять угол наклона фотоэлементов два раз в год – зимой и летом.

Подвижные устройства для монтажа модулей называются трекеры. Это платформы, которые могут вращаться в одной или двух плоскостях, следуя за солнцем. Такой способ установки максимально близок к идеальному, однако имеет свои подводные камни: трекеры дороги в установке и эксплуатации и потребляют электрическую энергию. Вполне возможно, что в случае применения в частном доме, повышение производительности солнечной батареи будет в стоимостном выражении меньше, чем стоимость содержания трекера.

Тип

Выбирают тип солнечной панели из условий инсоляции (количества солнечных дней, интенсивности излучения):

Так, монокристаллические кремниевые батареи вполне подойдут для установки в южных регионах.
В Средней полосе и на других российских территориях оптимальным вариантом будут поликристаллические панели, хорошо зарекомендовавшие себя в условиях рассеянного освещения.
В северных широтах следует обратить более пристальное внимание на аморфные модули, которые позволяют создать значительную площадь батареи без дополнительных монтажных работ.

Более низкие категории качества присваиваются продукции по итогам заводских испытаний, которые выявляют отклонение от номинальных параметров не более 5% (Grade B) и 30% (Grade C) в процессе эксплуатации.

Солнечные электростанции: плюсы и минусы

Достоинства солнечных электростанций

• СЭС — это возобновляемый источник энергии. Еще более 5 млрд. лет жители Земли могут не беспокоиться об истощении солнечного ресурса. По человеческим меркам, это неисчерпаемый энергоресурс, и развитие гелиотехнологий — это существенный вклад в жизнь будущих поколений.
• Гелиосистемы могут работать в любой точке земли — как на экваторе, так и в Антарктиде. Температура воздуха роли не играет, необходим лишь доступ к солнечному свету.
• СЭС оказывают минимальное воздействие на окружающую среду. Конечно, и изготовление, и транспортировка , и установка гелиосистем сопровождаются выбросами в атмосферу, но по сравнению с традиционными энергосистемами, эти малозначимые эффекты.
• В гелиосистемах нет особых движущих узлов, кроме, например, сервопривода, который регулирует расположение панелей в пространстве. Поэтому гелиостанции работают бесшумно. Это позволяет устанавливать СЭС даже на крышах и стенах жилых домов.
• Солнечные электростанции сохраняют свою эффективность 25 лет. После этого срока некоторые показатели снижаются, но станция продолжает работать. Обновлять систему можно частями, заменяя отдельные модули на новые.
• Гелиосистемы применяются в разных сферах: они поставляют электричество в труднодоступные регионы, где нет централизованных электросетей; используются для опреснения воды; питают спутники на орбите и так далее.
• Потенциал СЭС растет с развитием науки. Открытия в квантовой физике и нанотехнологиях позволят увеличить мощность гелиостанций. А инженерный разработки смогут превратить жилое здание в маленькую СЭС.

Недостатки солнечных электростанций

• Эффективность СЭС зависит от времени суток и погодных условий. По ночам солнце не светит, а в условиях облачности свет слишком рассеянный. Хотя, например, вакуумные СЭС очень чувствительны к инфракрасному излучению, поэтому накапливают гелиоэнергию даже в пасмурную погоду (пусть и с более низкой эффективностью). В основном же, эта проблема солнечных электростанций решается за счет оборудования их аккумуляторами для запасания энергии и последующего ее использования в неблагоприятных для СЭС условиях.
• Техническое обслуживание гелиостанций. Вне зависимости от типа, гелиопанели регулярно нуждаются в очистке от пыли. Кроме того, некоторые типы панелей могут перегреваться, поэтому они нуждаются в системах охлаждения или вентиляции.
• Атмосфера над СЭС может нагреваться настолько, что пролетающие над ней птицы просто испаряются. По некоторым источником, над крупными гелиоустановками погибает одна птица каждые две минуты.
• Хотя гелиоэнергетика считается, в целом, «зеленой» отраслью, изготовление гелиоустановок происходит с выбросом парниковых газов.
• Современные гелиопанели обладают мощностью энергоносителя около 16-18 Ватт на квадратный метр. Этот показатель можно одновременно считать достоинством и недостатком солнечной электростанции. В этом солнечная энергетика превосходит другие альтернативные источники энергии, но уступает традиционным — углю, газу, нефти и атомной энергии.
• Гелиоустановки все еще отличаются высокой стоимостью, и это главный спорный момент в их использовании. Это вызвано, например, применением в них редких и дорогих элементов: теллура и индия. Да и аккумуляторные батареи, которые стабилизируют поступление энергии от гелиоустановок, обходятся в немалые суммы. Вопрос стоимости чаще всего решается на государственном уровне, когда власти предлагают субсидии предприятиям и частным лицам для перехода на солнечное электроснабжение.

Если бы не стоимость, СЭС быстро бы стали мировым лидером в альтернативной энергетике.

Почему именно солнечные батареи?

1. Солнце есть практически везде. Пока есть доступ к солнечному освещению, электроэнергия может быть получена при помощи данных устройств.

2. Автономность. Нет надобности в подключении к централизованной системе электроснабжения. Соответственно, можно снизить общие расходы на содержание дома. Нет нужды зависеть от ценовой политики местных энергетических магнатов.

Статья по теме: Расположение и расчет арматуры в ленточном фундаменте

3. Когда нужно подводить электрокабель в отдаленные деревни и фермы, порой намного дешевле установить солнечные батареи. Подсчитайте стоимость кабеля, столбов, техники и рабочих, и получится, что при меньшей волоките можно получить ту же услугу, и при этом быть самому себе хозяином.

4. Экологичность. Это основное преимущество данной технологии. Нет нужды использовать ископаемые ресурсы, которые, как известно, не возобновляются. Фотоэлементы не производят канцерогенных выбросов, не повышают уровень парниковых газов. Для их постоянной работы нет необходимости уничтожать и без того уже потрепанные лесные массивы.

5. Отсутствие лицензирования. Пока государство еще не приняло решение об обязательном лицензировании получения электроэнергии благодаря фотоэлементам, этим можно воспользоваться. Как известно, ничего бесплатного долго не бывает.

Выбираем компоненты для солнечной электростанции

Для того чтобы наглядно проиллюстрировать расчет, сколько нужно солнечных батарей для использования их в качестве основного источника энергии, рассмотрим условный загородный дом в Рязанской области, в котором жильцы находятся с марта по сентябрь включительно.

Для расчета мы возьмем следующие показатели почасового потребления:

• суммарное потребление энергии в сутки – 12 кВт/ч;
• средний уровень нагрузки всех потребителей – 500 Вт;
• максимальное значение нагрузки – 1200 Вт;
• пиковый уровень нагрузки (+25 %) – 1200×1,25 = 1500 Вт.

Полученные данные будут использованы для определения необходимой емкости аккумуляторов гелиоэлектростанции.

Как работает солнечная панель и какую лучше выбрать для дома

Солнечная панель преобразует солнечную энергию в электрическую, может выступать как постоянный или аварийный источник питания для частного жилого дома. От классических генераторов на сжигаемом топливе панели отличаются экологичностью, бесшумностью работы и простотой обслуживания. Кроме того, их не нужно постоянно заправлять. Единственный недостаток — достаточно высокая стоимость, хотя с развитием технологий солнечные панели стабильно дешевеют. Посмотрим, какую солнечную панель выбрать и какие есть разновидности.

Виды солнечных батарей

Разберёмся, какие солнечные панели лучше и какими они вообще бывают. По конструктивным особенностям панели делятся на гибкие и жёсткие. Большее распространение получили гибки батареи, так как их проще монтировать, в том числе, и на вертикальных поверхностях. Также существуют различия по фотоэлектрическому полю (приводится усреднённый КПД):

1. Полимерные (КПД = 7%).

2. Теллурий-кадмиевые (КПД = 15%).

3. Кремниевые (КПД = 7% для аморфных, 15% для монокристаллических, 13% поликристаллических).

4. С использованием арсенида галлия.

5. Органические.

6. Комбинированные.

Наиболее популярные из-за соотношения цены и КПД — кристаллические.

Как работает солнечная панель

Основа солнечной панели — фотоэлектрические ячейки, они располагаются внутри общего каркаса. Чаще всего для производства таких ячеек используют кремний, хотя есть и другие варианты.

Процесс выглядит следующим образом — солнечные лучи попадают на полупроводник, он нагревается. Полупроводник под нагревом высвобождает электроны, под действием электрического поля они начинают двигаться упорядоченно, в результате вырабатывается электричество.

Контакты присоединяют к обеим сторонам фотоэлемента. Через эти контакты электричество поступает в сеть для питания бытовых приборов. Часть электроэнергии накапливается в аккумуляторе (если он предусмотрен конструкцией) и используется по мере необходимости, например — в ночное время.

Как выбрать солнечную панель для дома

Для начала стоит отметить, что система может состоять из нескольких модулей, но рассматривать вопрос, как собрать солнечную панель, не будем. Это материал для другого большого исследования. Укажем только основные принципы выборы.

Главное — определиться с необходимой мощностью. Нет смысла приобретать панель, мощностью менее 1 кВт, если планируете постоянно проживать в доме. Для отопления среднестатистического коттеджа потребуется мощность в пределах 10 кВт. Для подключения основных бытовых приборов на даче, вроде ТВ и холодильника, будет достаточно 500 Вт. То есть для начала нужно посчитать суммарное потребление электроэнергии всеми приборами.

Определяемся с типом батареи в зависимости от нужд:

1. Автономная. Снабжает электричеством приборы, которые не подключены к центральной сети. Днём накапливает заряд для ночного использования.

2. Сетевая (безаккумуляторная). Способна питать приборы только в светлое время суток.

3. Реверсная. Используется как для дома, так и для продажи излишков электроэнергии.

4. Комбинированная. Состоит из генератора, аккумулятора, инвертора и контроллера. При нехватке запаса батареи, энергия берётся из сети. Подходит в случаях, когда нет запасного количества солнечных панелей.

Если не уверены, как проверить солнечную панель, какой вариант выбрать и как установить — обращайтесь в компанию «Аксиома Электрика». Рассчитаем необходимую мощность, посоветуем оптимальный вариант именно для вашего случая, произведём монтаж на объекте. Кроме того, оказываем сервисное и гарантийное обслуживание оборудования.

О преимуществах и недостатках батарей

Преимущество солнечных батарей для дома заключается в следующем:

• Экологически чистый источник энергии, нет негативного воздействия на природу.
• Относительная простота в работе.
• Длительный срок эксплуатации: если относиться бережно, то будут бесперебойно работать десятилетиями.

Из недостатков выделяют такие факторы:

• Низкий коэффициент полезного действия. Чтобы солнечная батарея для дачи дала нужную электроэнергию для семьи из 3 или 4 человек, которые за месяц потребляют 200 киловатт, то, по средним подсчетам, понадобится установить пластины площадью в 12 м².
• Медленная окупаемость при достаточной их дороговизне.
• Для самостоятельной установки солнечных батарей для частного дома нужно хорошо разбираться в сложной сборке и отладке работы. Для их монтажа лучше нанять специалистов.

Все эти моменты нужно учитывать перед тем, как принять решение о приобретении солнечных панелей для своих нужд.

Мощность и напряжение

Мощность панелей определяют следующим образом:

• Рассчитывают среднюю суммарную мощность потребления (по показателям электросчетчика, счетам за электроэнергию). Для среднедневного потребления показатели за месяц делят на количество дней.
• К полученному результату добавляют 20-30%, чтобы получить запас с учетом КД преобразования (потерь на заряд аккумуляторов и работу инвертора).
• По полученным данным рассчитывают выходную мощность панелей с учетом длительности светового дня. Для расчетов она принимается равной 6 ч, соответственно мощность батареи должна превосходить среднее потребление в 4 раза.
• Выбирают напряжение панели. Как правило, производители предлагают батареи с выходным напряжением 12В. Однако для заряда накопителей и повышения КПД преобразования постоянного напряжения переменное на инверторе (особенно при большой мощности), выгоднее иметь более высокие значения.Стандартно используют:
  • 12 В для систем для мощностей до 1 кВт.
  • 24 В или 36 В – до 5 кВт.
  • 48 В – более 5 кВт.

Такие напряжения получают последовательным соединением панелей.

• Определяют пиковую мощность, для чего суммируют мощности всех потребителей в доме.
• Определяют пиковую мощность с запасом 10-20%, например, на пусковые токи электродвигателей и работу нагревательных элементов системы ГВС, стиральной и посудомоечной машин и т.д.
• По пиковой мощности определяют максимальный ток панелей.
• В справочниках находят коэффициент инсоляции (в летнее и зимнее время) для местности.

Для дальнейших расчетов следует воспользоваться формулой:

P = Kc * Wn * Ki, учитывающей

• Кс – сезонный коэффициент, для летнего времени принимается равным 0.5, для зимнего — 0.7;
• Ki – коэффициент инсоляции, для летнего и зимнего времени;
• Wn – номинальную мощность панели.

Выбрав в каталогах производителей несколько моделей батарей для каждой из них рассчитывают мощность генерации в зимнее и летнее время.

Затем определяют необходимое количество панелей, разделив рассчитанную выше среднюю мощность потребления (с запасом) на мощность генерации. Вычисления ведут для зимнего и летнего периода, в качестве итога принимают большее значение.

Мнение эксперта
Гребнев Вадим Савельевич
Монтажник отопительных систем

Округления ведут до большего целого числа. При напряжениях более 12 В округляют до чисел кратных 2 для систем с питание 24В, 3 для 36В и 4 для 48 В.

После расчетов проверяют:

• Максимальную токовую нагрузку на панели по пиковому потреблению. Если максимальный ток больше, чем обеспечивают соединенные параллельно батареи, следует выбрать более мощные.
• Бюджет. Определяют общую стоимость панелей и сравнивают с выделенной на их покупку суммой.

Принцип работы

Превращение энергии солнца происходит в фотоэлементах, подключенных последовательным или параллельным путем. В основе фотоэлектрического вещества лежит кремниевый кристалл. Кремний в виде соединений широко распространен на планете. К примеру, кремниевый оксид – песок или глина. Так что кристалл кремния в упрощенном варианте – это песчинка. Технические кристаллы производятся в лабораториях искусственным способом. Сначала они выращиваются в форме кругляка, затем получают из него шестигранник, из которого делают пластины. Каждая пластина имеет толщину 200 микрон, что всего в три раза толще обычного волоска.

На кремниевые пластины с одной стороны наносят бор, а со второй – фосфор. Там, где кремний соприкасается с бором, возникает избыток электронов. На противоположной, где пластина контактирует с фосфором, наблюдается их нехватка. Совмещение этих сторон называется границей p-n.

Когда на фотоэлементы в составе батарей попадает свет солнца, их поверхность атакуют фотоны. Они вытесняют «лишние» электроны на границе с бором, и направляются на противоположную – фосфорную сторону с «пробелами». Так появляется электрический ток, представляющий собой согласованное перемещение электронов. От фотоэлементов отходят металлические тропинки, через них и проводится ток. В этом и заключается суть работы солнечного элемента.

Сколько служат солнечные батареи?

Срок службы солнечных батарей

Однако это не значит, что по окончании данного срока модули перестанут функционировать. Это заблуждение, т. к. солнечные батареи могут служить намного дольше (до 60 и более лет, как первая из запущенных в эксплуатацию конструкций). Только в данном случае будет постепенно снижаться производительность. Но скорость развития этого процесса низкая. Так, за 10 лет батареи могут потерять не более 10% мощности.

При регулярной эксплуатации, максимальной нагрузке модули быстрее теряют свойства. Чтобы остановить этот процесс, а также увеличить срок службы устройства, рекомендуется придерживаться рекомендаций:

• обеспечение защиты фотоэлементов: необходимо снизить вероятность механического повреждения, солнечные батареи нужно устанавливать на участках, где риск падения деревьев нулевой, а также уровень воздействия ветровой нагрузки умеренный (что позволит исключить срыв ветром);
• установка на открытой местности ветрозаградительных конструкций;
• выполнение обслуживания, своевременная очистка модуля от сора.

В продаже есть также готовые комплекты – устанавливаются преимущественно для энергообеспечения частного жилья. Они состоят из батарей, силовой электроники. Длительность эксплуатации каждого из элементов, узлов разная. Так, батареи могут прослужить 2-15 лет, силовая электроника – до 20 лет.

Как работают гелиосистемы

Однако мощности одного фотоэлемента не хватает, для обеспечения большинства хозяйственных нужд, т. к. даже при продолжительном световом дне он не способен выдавать необходимое количество электрической энергии. Потому для повышения выходной мощности используют несколько фотопреобразователей, которые объединяются друг с другом по параллельной схеме. В результате происходит регулярное увеличение постоянного напряжения. В свою очередь, силу тока повышают последовательным образом.

Продуктивность работы солнечных панелей зависит от некоторых факторов:

1. От температуры воздуха и самой панели.
2. От правильно выбора адекватного сопротивления нагрузки.
3. От угла падения ультрафиолетовых лучей.
4. От наличия или отсутствия антибликовых покрытий.
5. От мощности светового излучения.

Важно понимать, что чем ниже показатели внешней температуры воздуха, тем лучше будет работать фотоэлемент и гелиобатарея в целом. Здесь всё объясняется простым принципом

А вот что касается расчёта нагрузки, то в данном случае ситуация выглядит сложнее. Эти показатели подбираются с учётом выдаваемого тока, но его величина способна меняться в зависимости от погодных условий.

Вести ручной мониторинг изменяющихся параметров батареи и постоянно подстраивать их проблематично. Вместо этого, целесообразно оборудовать систему автоматическим контроллером, который будет в автоматическом режиме изменять параметры гелиопанели, стремясь достичь максимальной продуктивности работы и оптимальных конфигураций.

Наукой доказано, что идеальный угол падения ультрафиолетовых лучей на гелиобатареию — прямой. Но если замечается отклонение в радиусе 30 градусов, серьезных потерь не ожидается, ведь эффективность снижается лишь на 5−10 процентов. Если же угол продолжает меняться, КПД ФЭП существенно упадёт.

Теперь вам известно, как работают разные типы солнечных батарей, которые стремительно превращаются из предмета роскоши в необходимую часть современной жизни.

солнечные батареи