Солнечная батарея – что это такое?
Устройство солнечной батареи основано на способности фотоэлементов преобразовывать солнечную энергию в электричество. Соединенные в общую систему, эти преобразователи создают многоячеистое поле, каждая ячейка которого под воздействием солнечной энергии становится источником электрического тока, который затем аккумулируется в специальных устройствах – аккумуляторах. Разумеется, что мощность такого устройства тем выше, чем больше данное поле. То есть чем больше в нем фотоэлементов, тем большее количество электроэнергии оно способно произвести.
Но это не значит, что только огромные площади, на которых возможна установка солнечных батарей, могут обеспечить необходимой электроэнергией. Существует множество гаджетов, которые имеют возможность работать не только от привычных всем автономных источников питания – батареек, аккумуляторов – но и использовать энергию солнца. В конструкции таких приборов вмонтированы портативные солнечные батареи, дающие возможность как подзаряжать устройство, так и работать автономно. Например, обычный карманный калькулятор: в солнечную погоду, положив его на стол, можно обеспечить подзарядку батареи, что продлевает срок ее службы на долгие годы. Существует масса различных устройств, где такие батареи используются: это и ручки-фонарики, и фонарики-брелоки и т. д.
На дачных и загородных участках в последнее время стало модным использовать для освещения фонарики на солнечных батареях. Экономичное и несложное устройство обеспечивает освещение вдоль садовых дорожек, на террасах и во всех необходимых местах, используя электроэнергию, накопленную в светлое время суток, когда светит солнце. Экономные лампы освещения способны расходовать эту энергию достаточно долгое время, что и обеспечивает большой интерес к таким устройствам. Освещение на солнечных батареях используется и в домах, коттеджах, а также подсобных помещениях.
Принцип работы солнечной электростанции в домашних условиях
Солнечная электростанция – это система состоящая из панелей, инвертора, аккумулятора и контроллера. Солнечная панель трансформирует лучистую энергию в электричество (как было сказано выше). Постоянный ток попадает в контроллер, который распределяет ток по потребителям (например, компьютер или освещение). Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный и обеспечивает работу большинства электрических бытовых приборов. В аккумуляторе накапливается энергия, которая можно расходовать в темное время суток.
Видео описание
Наглядный пример расчетов, показывающий, сколько панелей нужно для обеспечения автономного энергоснабжения, смотрите в этом видеоролике:
Как солнечная энергия используется для получения тепла
Гелиосистемы применяются для нагревания воды и отопления жилища. Они могут давать тепло (по желанию владельца) даже тогда, когда отопительный сезон закончится, и обеспечивать дом горячей водой бесплатно. Простейшее устройство представляет собой металлические панели, которые устанавливают на крыше дома. Они аккумулируют энергию и согревают воду, которая циркулирует по скрытым под ними трубам. Функционирование всех гелиосистем основано на этом принципе, несмотря на то, что конструктивно они могут отличаться друг от друга.
Солнечные коллекторы состоят из:
- бака-аккумулятора;
- насосной станции;
- контроллера;
- трубопроводы;
- фиттингов.
По типу конструкции различают плоские и вакуумные коллекторы. У первых дно покрыто теплоизоляционным материалом, а жидкость циркулирует по стеклянным трубам. Вакуумные коллекторы отличаются большой эффективностью, потому что теплопотери в них сведены к минимуму. Этот тип коллектора обеспечивает не только отопление солнечными батареями частного дома – его удобно использовать для систем горячего водоснабжения и подогрева бассейнов.
Принцип действия солнечного коллектораИсточник 21ek.ru
Популярные производители солнечных батарей
Чаще всего на прилавках встречается продукция компаний Yingli Green Energy и Suntech Power Ко. Также популярностью пользуются панели HiminSolar (Китай). Их солнечные батареи производят электроэнергию даже в дождливую погоду.
Производство солнечных батарей налажено и у отечественного производителя. Этим занимаются такие компании:
- ООО «Хевел» в Новочебоксарске;
- «Телеком-СТВ» в Зеленограде;
- «Sun Shines» (ООО «Автономные Системы Освещения») в Москве;
- ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов»;
- ЗАО «Термотрон-завод» и другие.
По стоимости всегда можно найти подходящий вариант. Например в Москве на солнечные батареи для дома стоимость будет варьироваться от 21 000 до 2 000 000 руб. Стоимость зависит от комплектации и мощности устройств.
Солнечные батареи не всегда плоские – есть ряд моделей, которые фокусируют свет в одной точкеИсточник pinterest.com
Этапы монтажа батарей
- Для установки панелей выбирается самое освещенное место – чаще всего это крыши и стены зданий. Чтобы устройство функционировало максимально эффективно, панели монтируются под определенным углом к горизонту. Учитывается также уровень затемненности территории: окружающие предметы, которые могут создавать тень (постройки, деревья и т. п.)
- Устанавливаются панели при помощи специальных крепежных систем.
- Затем модули соединяются с аккумулятором, контроллером и инвертором, и производится наладка всей системы.
Для монтажа системы всегда разрабатывается персональный проект, который учитывает все особенности ситуации: как будет выполняться установка солнечных батарей на крыше дома, цена и сроки. В зависимости от вида и объема работ, все проекты рассчитываются в индивидуальном порядке. Клиент принимает работу и получает на нее гарантию.
Установка солнечных батарей должна производиться профессионалами и с соблюдением мер безопасностиИсточник pinterest.ca
Как итог – перспективы развития солнечных технологий
Если на Земле максимально эффективной работе солнечных батарей мешает воздух, который в известной мере рассеивает излучение Солнца, то в космосе такой проблемы не существует. Учеными ведется разработка проектов гигантских орбитальных спутников с солнечными батареями, которые будут работать 24 часа в сутки. От них энергия будет передаваться на наземные приемные устройства. Но это дело будущего, а для уже существующих батарей усилия направлены на повышение энергоэффективности и уменьшение размеров устройств.
Способы использования солнечной энергии
Методы применения энергии небесного светила не относятся к инновационным технологиям, солнечное тепло используют давно и весьма успешно. Однако это касается, в основном, Австралии, некоторых стран Европы, Америки и южных регионов, где альтернативную энергию можно получать в течение всего года.
Некоторые северные области испытывают дефицит естественного излучения, поэтому его применяют в качестве дополнительного или запасного варианта.
Посредниками между солнечными лучами и образующим энергию механизмом являются солнечные батареи или коллекторы, которые отличаются и назначением, и конструкцией.
Батареи аккумулируют энергию солнца и позволяют использовать ее для питания бытовых электрических приборов. Они представляют собой панели с фотоэлементами с одной стороны и фиксирующим механизмом с другой. Можно поэкспериментировать и собрать батарею самостоятельно, но проще купить готовые элементы – выбор достаточно широк.
Гелиосистемы (солнечные коллекторы) являются частью отопительной системы дома. Большие теплоизолированные короба с теплоносителем, как и батареи, крепят на приподнятых щитах, обращенных к солнцу, или скатах крыши.
Считать, что абсолютно все северные регионы получают намного меньше естественного тепла, чем южные, ошибочно. Предположим, на Чукотке или в центральной Канаде солнечных дней намного больше, чем в расположенной южнее Великобритании
Для повышения эффективности панели помещают на динамические механизмы, напоминающие систему слежения – они поворачиваются вслед за движением солнца. Процесс преобразования энергии происходит в трубках, расположенных внутри коробов.
Главное отличие гелиосистем от солнечных батарей в том, что первые нагревают теплоноситель, а вторые аккумулируют электроэнергию. Есть возможность обогревать помещение и с помощью фотоэлементов, но схемы устройства нерациональны и пригодны только для тех для районов, где солнечных дней в году не менее 200.
Схема устройства отопительной системы с солнечным коллектором, подключенным к бойлеру, и запасным источником электроэнергии (например, газовым котлом), работающем на традиционном топливе (+)
Пиковая нагрузка и среднесуточное энергопотребление
Удовольствие иметь собственную гелиостанцию стоит пока немало. Первая ступень на пути к обладания могуществом энергии солнца – определение оптимальной пиковой нагрузки в киловаттах и рационального среднесуточного энергопотребления в киловатт-часах домашнего или дачного хозяйства.
Пиковая нагрузка создается необходимостью включения сразу нескольких электрических приборов и определяется их максимальной суммарной мощностью с учетом завышенных пусковых характеристик некоторых из них.
Подсчет максимума потребляемой мощности позволяет выявить, жизненно нужна одновременная работа каких электроприборов, а которых не очень. Такому показателю подчиняются мощностные характеристики узлов электростанции, то есть итоговая стоимость устройства.
Суточное энергопотребление электроприбора измеряется произведением его индивидуальной мощности на время, что он проработал от сети (потреблял электроэнергию) в течение суток. Общее среднесуточное энергопотребление рассчитывается как сумма израсходованной энергии электричества каждым потребителем за суточный период.
Последующий анализ и оптимизация полученных данных о нагрузках и энергопотреблении обеспечат нужную комплектацию и последующую работу солнечной энергосистемы с минимальными затратами
Результат потребления энергии помогает рационально подойти к расходу солнечного электричества. Итог вычислений важен для дальнейшего расчета емкости аккумуляторов. От этого параметра цена аккумуляторного блока, немало стоящего компонента системы, зависит еще больше.
Выбираем подходящий солнечный коллектор
Необходимо ознакомиться с рынком и выбрать самые подходящие солнечные батареи для отопления дома. Они бывают 3-х типов:
- Воздушные – внутри них располагается воздух и абсорбирующий тепло элемент. Несмотря на скромную стоимость, они должного распространения не получили, так как характеризуются низким КПД
- Вакуумные – внутри располагаются определенного диаметра стекло трубки, содержащие в себе трубки меньшего диаметра, по которым циркулирует теплоноситель. Между трубками создается вакуум, характеризующийся высокими теплопроводящими свойствами
- Плоские – наиболее распространенные коллекторы. Они представляют собой короб, лицевая сторона которого накрыта стеклом. Под ним пролегает абсорбирующий тепло элемент, который контактирует с трубками, содержащими теплоноситель. Энергия последнего забирается и аккумулируется в электрическую
Преимущества и недостатки солнечной энергетики
Плюсы:
- На стадии использования — экологичность (почему с оговоркой: производство и утилизация такие же «грязные», как и любая другая электроника).
- После первичных вложений, полученная электроэнергия условно бесплатная (требуются некоторые средства на обслуживание по истечении срока эксплуатации).
- Возможна полная автономия: вы можете организовать энергоснабжение в местах, где даже не планируется централизованная подача электроэнергии.
- Вы не зависите от тарифной политики энергетических компаний.
- При выполнении определенных нормативов, можно «продавать» избыток электроэнергии в городские сети.
Минусы:
- Относительная дороговизна оборудования (как видно на примерах использования, это не всегда является проблемой).
- Зависимость от погодных условий (в регионах, где солнечных дней немного, использование затруднено).
- Оборудование нуждается в периодическом обновлении — присутствует естественный износ.
Как подключить, если на участке нет электричества
Если участок не подключен к сети, то главная задача — накапливать электроэнергию, чтобы использовать её в будущем по мере необходимости.
Какое оборудование понадобится:
- Солнечные батареи.
- Аккумулятор для накопления заряда.
- Контролер заряда (чтобы контролировать ток заряда аккумулятора).
- Преобразователь в 220В. По умолчанию солнечная панель выдает 12В, 24В, тогда как большинство электроприборов подключаются к 220В. Если вы используете приборы, работающие от 12В, то преобразователь не понадобится.
- Оборудование для фиксации и крепежа самой батареи.
Самый простой вариант, «своими руками»
Самый примитивный, но рабочий вариант «для дачи»: солнечная батарея + аккумулятор, которые соединяются между собой клеммами. В таком виде станция уже готова к эксплуатации и её можно даже не ставить на крышу, а просто установить на землю. Электроэнергия будет накапливаться на аккумуляторе, от которого можно зарядить телефон, подключить освещение и т.д.
Такую станцию очень легко собрать своими руками. Достаточно просто купить аккумулятор (подойдет даже обычный автомобильный), солнечная батарея, провода и клеммы. Если вы приезжаете на дачу только по выходным, то станция может быть переносной, так как легко разбирается и прячется (или увозится с собой).
Более сложная реализация
Схема для повседневной эксплуатации и разводкой по розеткам. Солнечные батареи устанавливают на крышу (или отдельную металлическую конструкцию), а кабель от них прокладывают к аккумулятору, от которого электричество через преобразователь поступает на розетки.
По мере необходимости станцию легко масштабировать, подключая дополнительные батареи и аккумуляторы.
Как работают фотоэлементы солнечной батареи
Еще Беккерель доказал, что энергию солнца можно преобразовать в электричество, освещая специальные полупроводники. Позднее эти полупроводники стали называть фотоэлементами. Фотоэлемент представляет собой два слоя полупроводника имеющих разную проводимость. С обеих сторон к этим полупроводникам припаиваются контакты для подключения в цепь. Слой полупроводника с n проводимостью является катодом, а слой с p проводником анодом.
Проводимость n называют электронной проводимостью, а слой p дырочной проводимостью. За счет передвижения «дырок» в p слое во время освещения, создается ток. Состояние атома потерявшего электрон называется «дырка». Таким образом, электрон перемещается по «дыркам» и создается иллюзия движения «дырок».
В действительности «дырки» не передвигаются. Граница соприкосновения проводников с разной проводимостью называется p-n переходом. Создается аналог диода, который выдает разность потенциалов при его освещении. Когда освещается n проводимость, то электроны, получая дополнительную энергию, начинают проникать сквозь барьер p-n перехода.
Число электронов и «дырок» меняется, что приводит к появлению разности потенциала, и при замыкании цепи появляется ток. Величина разности потенциала зависит от размеров фотоэлемента, силы света, температуры. Основной первого фотоэлемента стал кремний. Однако высокую чистоту кремния получить трудно, стоит это недешево.
Когда освещается n проводимость, то электроны, получая дополнительную энергию, начинают проникать сквозь барьер p-n перехода. Число электронов и «дырок» меняется, что приводит к появлению разности потенциала, и при замыкании цепи появляется ток
Поэтому сейчас ищут замену кремнию. В новых разработках кремний заменен на многослойный полимер с высоким КПД до 30%. Но такие солнечные панели дорогие, и пока отсутствуют на рынке. КПД солнечных батарей можно повысить, если устанавливать их на южной стороне и под углом не меньше 30 градусов.
Рекомендуется, солнечные батареи устанавливать на устройство слежения за движением солнца. Это устройство передвигает панели таким образом, чтобы они получали максимально возможное освещение лучами солнца от восхода до заката. При этом КПД солнечных панелей возрастает достаточно сильно.
Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.
Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.
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.
Самостоятельная сборка
Попробовать свои силы в сфере солнечной энергетики домашних умельцев побуждают два фактора: стремление снизить стоимость гелиопенелей и новизна данной работы.
Экономия, получаемая при самостоятельной сборке, впечатляет. Комплект «сделай сам», состоящий из фотоячеек и монтажной токопроводящей ленты почти на 50% дешевле батареи, собранной на заводе. Купить его можно на российских торговых интернет-площадках или заказать прямую доставку из страны-производителя.
Ответов на вопрос как сделать солнечную батарею для дома своими руками во всемирной сети можно найти очень много. Кроме устного описания процесса, здесь можно найти толковые видеоролики, наглядно демонстрирующие основные его этапы.
Практические советы, которые содержатся в подобных руководствах, основаны на бесценном опыте проб и ошибок. Они помогают новичкам без серьезных финансовых потерь успешно выполнить данную работу.
Сборка солнечной батареи включает следующие этапы:
- последовательную пайку фотоячеек в единую энергоцепочку с помощью токопроводящей ленты;
- изготовление рамки корпуса со стеклом.
Самый ответственный момент – заливка фотоячеек прозрачным герметиком и их объединение с остекленной рамкой. Здесь существует отработанная технология, основой которой служит толстый лист поролона, предохраняющий хрупкие фотоэлементы от разрушения.
Знатоки ручной сборки рекомендуют не экономить на герметике. Если он положен слишком тонким слоем, то в батарею может проникнуть влага. Она разрушает гелиоячейки и токопроводящие дорожки.
Коллекторы: получение тепла из солнечной энергии
Солнечные коллекторы
Солнечные батареи могут применяться для обогрева объектов, нагрева жидкости. Возможность получения тепла обусловлена способностью батареи накапливать энергию. Это позволяет повышать температуру теплоносителя в трубах, за счет чего обеспечивается не только нагрев жидкости, но и обогрев всего объекта. Солнечные коллекторы функционируют по определенной схеме. Их основные элементы конструкции:
- насосная станция;
- бак-аккумулятор;
- контроллер;
- трубы и фитинги.
Виды коллекторов:
- плоские: состоят из плоского абсорбера, покрытия, теплоизолирующего слоя;
- вакуумные (трубчатые): состоят из стеклянной колбы, теплоизоляционный материал заменен на вакуум, который заполняет емкость (в ней также находится абсорбер).
У второго варианта есть существенное преимущество – низкие теплопотери. По этой причине вакуумные коллекторы применяются повсеместно там, где не могут быть установлены плоские аналоги.
Метод увеличения производительности
Обычно, поэкспериментировав с небольшим количеством солнечных модулей, владельцы частных домов идут дальше и совершенствуют систему различными способами.
Самый простой способ – это увеличение количества задействованных модулей, соответственно, привлечение дополнительных площадей для их размещения и покупка более мощного сопутствующего оборудования
Что делать, если существует дефицит свободной площади? Вот несколько рекомендаций для повышения эффективности солнечной станции (с фотоэлементами или коллекторами):
Изменение ориентации модулей. Перемещение элементов относительно положения солнца. Проще говоря, установка основной части панелей на южной стороне. При длинном световом дне также оптимально задействовать поверхности, выходящие на восток и запад.
Регулировка угла наклона. Производитель обычно указывает, какой угол является наиболее предпочтительным (например, 45º), но порой при монтаже приходится вносить свои коррективы с учетом географической широты.
Правильный выбор места установки. Крыша подходит, потому что чаще всего является наивысшей плоскостью и не затеняется другими объектами (предположим, садовыми деревьями). Но существуют еще более подходящие площади – поворотные устройства слежения за солнцем.
При перпендикулярном расположении элементов к лучам солнца система работает более эффективно, однако на стабильно закрепленной поверхности (например, крыше) это возможно лишь на короткий промежуток времени. Чтобы его увеличить, придумали практичные устройства слежения.
Механизмы слежения – это динамические платформы, которые своей плоскостью поворачиваются вслед за солнцем. Благодаря им производительность генератора увеличивается летом примерно на 35-40%, зимой – на 10-12 %
Большим минусом устройств слежения является их высокая стоимость. В некоторых случаях она не окупается, поэтому нет смысла вкладываться в бесполезные механизмы.
Подсчитано, что 8 панелей – минимальное количество, при котором затраты со временем оправдают себя. Можно задействовать и 3-4 модуля, но при одном условии: если они напрямую, в обход аккумуляторов, подключены к водяному насосу.
Буквально на днях компания Тесла Моторс объявила о создании нового типа крыши – с интегрированными солнечными батареями. Илон Маск заявил, что модифицированная крыша будет дешевле, чем обычная кровля с установленными на нее коллекторами или модулями.
Выводы и полезное видео по теме
Принципы работы и схемы подключения солнечных батарей не слишком сложны для понимания. А с собранными нами ниже видеоматериалами разобраться во всех тонкостях функционирования и установки гелиопанелей будет еще проще.
Доступно и понятно, как работает фотоэлектрическая солнечная батарея, во всех подробностях:
Как устроены солнечные батареи смотрите в следующем видеоролике:
Сборка солнечной панели из фотоэлементов своими руками:
Каждый элемент в системе солнечного электроснабжения коттеджа должен быть подобран грамотно. Неизбежные потери мощности происходят на аккумуляторах, трансформаторах и контроллере. И их обязательно надо сократить до минимума, иначе и так достаточно низкая эффективность гелиопанелей окажется сведена вообще к нулю.
В ходе изучения материала появились вопросы? Или вы знаете ценную информацию по теме статьи и можете сообщить ее нашим читателям? Пожалуйста, оставляйте свои комментарии в расположенном ниже блоке.
