Солнечные батареи: перспективы использования, эффективность

Перспективы использования солнечной энергии

Дата публикации: 12 ноября 2018

Ни для кого не секрет, что альтернативные методы добычи энергии, в буквальном смысле, ворвались в нашу жизнь, и начали переворот, который ведет за собой прогресс. Первым признаком этого стало появление огромного количества электромобилей, которые предполагают разработки мобильных и портативных устройств подзарядки.

О том, каким образом могут складываться перспективы использования солнечной энергии мы сегодня и поговорим.

В каких отраслях используется сейчас

Все думают, что практически каждый населенный пункт уже имеет на своей территории одного или нескольких владельцев солнечных панелей, которые предпочитают добывать электроэнергию в свои дома при помощи альтернативных источников, при этом немного зарабатывая на излишке добытого сырья. Вполне возможно, что вы правы, однако далеко не каждый населенный пункт может похвастаться такой «достопримечательностью».

Одним из самых распространенных способов использования солнечной энергии в нашей стране является именно быт. Большое количество не только состоятельных, но и обычных здравомыслящих людей понимают, что это выгодно и правильно. Одноразовая инвестиция предполагает дальнейшее облегчение не только повседневной жизни, но и улучшение финансового положения.

Отдельным подпунктом можно выделять использование в сельской местности, которая не оснащена другим источниками питания. Как бы это ни было плохо или хорошо, но в нашей стране огромное количество деревушек, в которых не проведен газ, отопление, вода и другие коммуникации. Их спасает электричество, которое выполняет все функции:

водоснабжение при помощи электронасоса;
электрическое отопление;
нагрев воды.

Такие жители просто требуют наличие в своем доме солнечных пластин.

Кстати, существуют программы, позволяющие зарабатывать деньги на излишке добытой энергии. Они работаю не везде, однако вы можете поинтересоваться о них у местных властей об особенностях в вашем регионе.

Также, большой популярностью использование солнечной энергии пользуется у мелких предприятий, которые не имею масштабных построек. Мы имеем ввиду то, что обеспечить целый, например, завод по выпуску автомобилей питанием, путем добычи его из солнечных лучей, довольно сложно, а вот снабдить определенным оборудованием определенные цехи волне возможно, и даже необходимо!

Солнечную энергию, также, активно используют ученые не в плане исследований, а для изобретений каких-либо новых устройств. Так, например, один американский ученый создал специальный «солнечный гриль», который состоял из панелей, отражающих солнечные лучи, и вакуумного тубуса, который требуется наполнять едой. Специфическое строение позволяет концентрировать солнечные лучи таким образом, чтобы температура внутри тубуса достигала 200-300 градусов по Цельсию. Незаменимая вещь, если вы находитесь на природе или вы не имеете доступа к другим источникам приготовления пищи.

Кстати, недавно была изобретена линза, концентрирующая солнечную энергию в определенной точке. Это позволяет заряжать мобильные телефон не от солнечной панели, а при помощи интересного элемента декора.

Где ожидать новшеств

Рассуждать о том, где можно ждать новшеств развития источников альтернативного питания, которые предполагают превращение солнечной энергии можно очень долго, однако мы имеет несколько своих версий о том, какие отрасли в скором времени будет затрагивать данный вид исследований:

машиностроение. Перспективы солнечной энергии в обустройстве электрокаров – первое, что приходит в голову. Видите ли, если спросить у любого владельца автомобиля, который работает от электричества, с какими неудобствами он связывается, они все ответят, что дело в зарядке. Даже учитывая то, что количество заправок для таких автомобилей возрастает с каждым днем, сократить время зарядки довольно сложно. На заправку автомобиля горючим топливом уходит до 10 минут. На зарядку электрокара – порядка одного часа. Ждем изменений;
перспектива спасения Земли. Как бы это громко не звучало, но процесс уменьшения количества пресной воды на планете – одна из самых больших проблем человечества. На данном этапе нашего развития мы можем смело говорить о том, что это возможно. Почему? Дело не в том, что солнечная энергия может превращать соленую воду в пресную. Тайна кроется немного глубже. На это способны некоторые агрегаты, которые преобразуют солнечную энергию в электрическую. Таким образом, мы можем одной машиной делать два дела: обеспечивать население энергией и пресной водой.

Перспективы развития огромны, и относятся не только к бытовым, но и к глобальным процедурам, таким как исследование космоса и прочее. Верим в то, что совсем скоро мы будем пользоваться энергией солнца каждый день, а не в редких случаях.

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.

Перспективы солнечной энергетики

О солнечной энергетике и перспективах ее развития ведутся споры и дискуссии уже много лет. Большинство считают солнечную энергетику – энергетикой будущего, надеждой всего человечества. Серьезные инвестиции вкладывает в строительство солнечных электростанций большое количество компаний. Солнечную энергетику стремятся развивать во многих странах мирах, считая ее главной альтернативой традиционным энергоносителям. Германия, являясь далеко не солнечной страной, стала мировым лидеров в этой сфере. Совокупная мощность СЭС Германии растет год от года. Серьезно занимаются разработками в области энергии солнца и в Китае. Согласно оптимистичному прогнозу International Energy Agency, солнечные электростанции к 2050 году смогут производить до 20-25% мировой электроэнергии.

Альтернативный взгляд на перспективы солнечных электростанций базируется на том, что затраты, которые требуются для изготовления солнечных батарей и аккумуляторных систем, в разы превышают прибыль от производимой солнечными электростанциями электроэнергии. Противники этой позиции уверяют, что все как раз наоборот. Современные солнечные батареи способны работать без новых капиталовложений десятки и даже сотни лет, произведенная ими суммарная энергия равна бесконечности. Вот почему в долгосрочной перспективе электроэнергия, полученная с использованием энергии солнца, станет не просто рентабельной, а сверхприбыльной.

Где же истина? Попробуем разобраться в этом вместе с вами, уважаемые читатели. Мы рассмотрим современные подходы в сфере солнечной энергетики и некоторые гениальнейшие идеи, которые на сегодняшний день уже реализованы. Мы попробуем установить КПД солнечных батарей, функционирующих в настоящее время, понять, почему сегодня этот КПД является довольно низким.

Эффективность солнечных батарей в России

Согласно современным исследованиям, солнечная энергия составляет порядка 1367 Ватт на 1 кв.м (солнечная постоянная). На экваторе через атмосферу до земли доходит лишь 1020 Ватт. На территории России с помощью солнечных электростанций (при условии, что КПД солнечных элементов составляет сегодня 16%) в среднем можно получить 163,2 Ватта на квадратный метр.

В этих таблицах приводится годовая инсоляция для городов России с учетом погодных условий, длительности дня и ночи, а также, типа установки солнечных батарей (КПД солнечной батареи не учитывается).

Если в Москве установить квадратный километр солнечных батарей под углом в 40 градусов (что для Москвы оптимально), то годовой объем выработанной электроэнергии составит 1173*0.16 = 187.6 ГВт*ч. При цене на электроэнергию в 3 рубля за кВт/ч, условная стоимость сгенерированной электроэнергии – 561 млн. рублей.

Наиболее распространенные способы генерации электроэнергии с помощью солнца:

Громадные зеркала таких солнечных электростанций, поворачиваясь, ловят солнце и отражают его на коллектор. Принцип функционирования таких электрогенерирующих станций основан на преобразовании тепловой энергии солнца в механическую электроэнергию термодинамической машины либо с помощью газопоршневого двигателя Стирлинга, либо с помощью нагрева воды и т.п.

В качестве примера рассмотрим электростанцию Ivanpah (мощность 392 мегаватт), в которую вложил свои средства всемогущий Google. В строительство солнечной электростанции, расположенной в калифорнийской пустыне Мохаве, вложено более двух миллиардов долларов США. На 1 кВт установленной мощности СЭС затрачено 5612 долларов. Многие полагают, что эти затраты, хотя и превышают затраты на сооружение угольных электростанций, гораздо ниже, чем затраты на строительство АЭС. Но так ли это? Во первых, на атомной электростанции, на 1 кВт ее установленной мощности расходуется от 2000 до 4000 долларов, что дешевле, чем затраты, которые пошли на строительство Ivanpah. Во вторых, годовая выработка электроэнергии солнечной электростанции – 1079 ГВт*ч, следовательно, ее среднегодовая мощность 123.1МВт. К тому же, солнечная электростанция станция способна генерировать энергию солнца только в дневные часы. Таким образом, «усредненная» стоимость строительства СЭС доходит до 17870 долларов за 1 кВт, а это довольно значительная цена. Пожалуй, дороже обошлась бы разве что выработка электричества в открытом космосе. Затраты на строительство привычных электростанций, работающих, например, на газе, в 20-40 раз ниже. При этом, в отличие от солнечных электростанций, эти электростанции могут функционировать постоянно, производя электроэнергию тогда, когда в ней есть потребность, а не только в те часы, когда светит солнце.

Но мы знаем, что современные солнечные теплоэлектростанции способны генерировать электроэнергию круглосуточно, используя для этого большой объем нагреваемого в течение всего светового дня теплоносителя. Только стоимость строительства этих станций стараются не слишком афишировать, вероятно, потому, что она является значительной. А если в стоимость проектирования и строительства солнечных электростанций включить аккумуляторы, тем более, строительство гидроаккумулирующих электростанций, то сумма возрастет до фантастических размеров.

Кремниевые солнечные батареи

Сегодня для функционирования СЭС применяются полупроводниковые фотоэлементы, которые представляют собой полупроводниковые диоды большой площади. Влетающий в pn-переход световой квант, генерирует пару электрон-дырка, при этом, на выходах фотодиода создается перепад напряжения (порядка 0,5В).

КПД кремниевой солнечной батареи – порядка 16 %. Почему же КПД столь низок? Для того чтобы сформировать электронно-дырочную пару, требуется определенная энергия. Если прилетевший световой квант обладает малой энергией, то генерации пары не произойдет. В этом случае квант света просто пройдет сквозь кремний, как сквозь обыкновенное стекло. Вот почему кремний является прозрачным для инфракрасного света далее 1.2 мкм. Если же световой квант прилетит с большей энергией, чем требуется для генерации (зеленый свет), пара образуется, но избыток энергии просто уйдет в никуда. При синем и ультрафиолетовом свете (энергия которого является очень высокой), квант может не успеть долететь до самых глубин p-n перехода.

Для того чтобы солнечный свет не отражался от поверхности солнечной батареи, на нее наносится специальное противоотражающее покрытие (такое покрытие наносят и на линзы фотообъективов). Текстуру поверхности делают неровной (в виде гребенки). В этом случае световой поток, отразившись от поверхности один раз, возвращается вновь.

КПД фотоэлементов увеличивают, комбинируя между собой фотоэлементы, на основе различных полупроводников и с разной энергией, необходимой для генерации пары электрон-дырка. Для трехступенчатых кремниевых фотоэлементов достигается КПД в 44% и даже выше. Принцип работы трехступенчатого фотоэлемента основан на том, что сначала ставится фотоэлемент, который эффективно поглощает именно синий свет, а красный и зеленый, пропускает. Второй фотоэлемент поглощает зеленый, третий – ИК. Однако трехступенчатые фотоэлементы сегодня очень дороги, поэтому, повсеместно используются более дешевые одноступенчатые фотоэлементы, которые за счет цены опережают трехступенчатые по показателю Ватт/$.

Гигантскими темпами развивает производство кремниевых фотоэлементов Китай, за счет чего стоимость одного ватта снижается. В Китае она составляет примерно 0,5 долларов за Ватт.

Основными типами кремниевых фотоэлементов являются:
• Монокристаллические
• Поликристаллические

КПД монокристаллических фотоэлементов, которые являются более дорогими, несколько выше (всего лишь на 1 %), чем КПД поликристаллических. Поликристаллические кремниевые фотоэлементы сегодня обеспечивают наиболее дешевую стоимость 1 Ватта генерируемой электроэнергии.

Кремниевые солнечные батареи не могут служить вечно. За 20 лет эксплуатации в условиях агрессивной среды самые совершенные из них теряют до 15-ти процентов своей первоначальной мощности. Есть основания полагать, что в дальнейшем деградациях солнечных батарей замедляется.

Кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало

Изобретатели во всех странах мира предпринимают всевозможные попытки увеличить экономическую рентабельность солнечных электростанций. Если, например, взять маленький эффективный кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало (concentrated photovoltaics), можно достичь КПД в 40 % вместо 16, при этом, зеркало гораздо дешевле, чем солнечная батарея. Но для того чтобы следить за солнцем, требуется надежная механика. Громадная зеркальная поворотная тарелка должна быть надежно укреплена и защищена от мощных ветровых порывов и агрессивных факторов окружающей среды. Вторая проблема заключается в том, что параболические зеркала не могут фокусировать рассеянный свет. Если солнце зашло даже за не плотные тучи, выработка энергии с помощью параболической системы упадет до нуля. У привычных солнечных батарей в этих условиях выработка тепловой энергии тоже серьезно снижается, но не до нуля. Солнечные батареи с параболическими зеркалами слишком дороги по установочной стоимости и затратны в обслуживании.

Круглые солнечные элементы на крышах

Американской компанией Solyndra при поддержки правительства были сконструированы солнечные фотоэлементы круглой формы. Они монтировались на крышах, выкрашенных в белый цвет. Солнечные батареи круглой формы изготавливали путем напыления проводникового слоя (в случае с Solyndra использовался Copper indium gallium (di)selenide) на стеклянные трубы. Фактическая эффективность круглых батарей составляла порядка 8,5 %, что ниже более дешевых кремниевых. Solyndra, получившая государственные гарантии по громадному кредиту, обанкротилась. В технологии, экономическая эффективность от которых была весьма сомнительной с самого начала, американская экономика вложила немалые денежные средства. «Удачное» лоббирование неэффективных технологий – это не только российское ноу хау.

Большая проблема солнечной энергетики!

Известно, что солнечные электростанции генерируют электроэнергию днем, в то время, как огромная потребность в электричестве возникает как раз таки в вечерние часы. Это значит, что без аккумуляторов солнечные электростанции не будут эффективны. В вечерний пик потребления электричества придется задействовать альтернативные (классические) источники электроэнергии. В дневные часы часть традиционных электростанций придется отключить, а часть – держать в горячем резерве на случай плохой погоды. Если над солнечной электростанцией нависнут тучи, недостающую электроэнергию должна давать резервная. В итоге, классические генерирующие мощности стоят в резерве и теряют прибыль.

Есть еще один путь. Он отражен в проекте Desertec – передача электроэнергии из Африки в Европу. С помощью ЛЭП в вечерний пик потребления электричества можно передавать электроэнергию от СЭС, которые находятся в тех районах земного шара, где в это время в разгаре солнечный день. Но этот способ до перехода на сверхпроводники требует огромных финансовых затрат, а также, всевозможных согласований между разными государствами.

Мы выяснили, что в среднем стоимость одного Ватта, произведенного солнечной батареей – 0,5 доллара. В течение дня (8 часов) батарея способна сгенерировать в пределах 8-ми Вт*ч. Эту энергию необходимо сохранить до вечернего пика потребления электричества.

Литиевые аккумуляторы, разработанные в Китае, стоят приблизительно 0,4 доллара за Вт*ч, следовательно, для солнечной батареи стоимостью 0,5 доллара, на 1 Вт будут необходимы аккумуляторы стоимостью 3,2 доллара, а это в шесть раз превышает стоимость самой батареи. Если учесть, что литиевый аккумулятор рассчитан максимум на 2000 циклов заряда-разряда, что составляет от трех до шести лет, то можно сделать вывод, – литиевый аккумулятор, это чрезвычайно дорогое решение.

Самыми дешевыми аккумуляторами являются свинцово-кислотные. Оптовая цена этих далеко не самых экологичных систем, порядка 0,08 доллара за Вт*ч. Свинцово-кислотные аккумуляторы также, как и литевые, рассчитаны на 3-6 лет работы. КПД свинцового аккумулятора составляет 75 %. Четвертую часть своей энергии этот аккумулятор теряет в цикле заряд-разряд. Чтобы сохранить дневную выработку солнечной энергии понадобится приобрести свинцово-кислотные аккумуляторы на 0.64 доллара. Мы видим, что это также больше, чем стоимость самих батарей.

Для современных СЭС разработаны гидроаккумулирующие электростанции. В течение светового дня в них закачивается вода, а ночью они функционируют как обычные гидроэлектростанции. Но строительство этих электростанций (КПД 90 %) не всегда возможно и чрезвычайно дорого.

Мы можем сделать неутешительный вывод. На сегодняшний день аккумуляторы обходятся дороже, чем сами СЭС. Для крупных солнечных электростанций они не предусмотрены. По мере генерации электроэнергии, крупные солнечные электростанции продают ее в распределительные сети. В вечернее и ночное время электроэнергию вырабатывают обычные электростанции.

Энергия солнца – какова сегодня ее цена?

Возьмем, к примеру, Германию – мирового лидера в использовании солнечной энергетики. Киловатт солнечной энергии, которая генерируется (даже в дневные часы, а ведь такая электроэнергия дешевле), выкупается в этой стране по цене от 12 до 17,45 евроцентов за кВт*ч. Поскольку газовые электростанции в Германии по прежнему строятся, функционируют или находятся в горячем резерве, солнечные электростанции в этой стране фактически просто помогают экономить российский газ.

Стоимость российского газа на сегодняшний день – 450 долларов за тысячу кубометров. Из этого объема газа (КПД генерации 40%) можно выработать приблизительно 4.32 ГВт электроэнергии. Следовательно, на 1 кВт*ч электричества выработанного от солнца, российского газа экономится на сумму в 0,104 доллара или 7,87 евроцента. Вот справедливая стоимость солнечной нерегулируемой генерации. Таким образом, в настоящее время в Германии солнечная энергетика на 50 % дотируется государством. Хотя, необходимо отметить, что Германия стремительно снижает стоимость генерации электроэнергии от солнца.

Самое экономичное солнечное электричество (0,5 долларов за 1 Ватт) получают сегодня с помощью солнечных поликристаллических батарей. Все остальные способы получения электричества с помощью энергии солнца, на порядок дороже.

Проблема, которая является ключевой для солнечной энергетики, это все же не КПД солнечных батарей, не цены, и не EROEI, который теоретически бесконечен. Главная проблема заключается в удешевлении способов генерации энергии солнца, полученной в дневные часы и сбережения этой энергии для вечернего пикового потребления. Ведь в настоящее время аккумуляторные системы, срок службы которых от трех до шести лет, в разы дороже самих солнечных батарей.

Солнечная генерация в значительных масштабах рассматривается сегодня только в виде способа экономии небольшой части традиционного ископаемого топлива в дневное время. Солнечная энергетика пока не в силах полностью взять на себя нагрузку в вечерние пиковые часы энергопотребления и уменьшить число АЭС, угольных, газовых и гидроэлектростанций, которые в дневные часы должны стоять в резерве, а в вечерние, брать на себя значительную энергетическую нагрузку.

Если в результате ужесточения тарифов (при которых, например, производителям водорода и алюминия будет выгодно запускать свое электролизное производство в дневные часы) пик потребления электроэнергии сместится на дневные часы, то у энергии солнца появятся более серьезные перспективы для развития.

Стоимость солнечной генерации, которая является «нерегулируемой», несопоставима со стоимостью генерации электроэнергии на привычных электростанциях, которые могут свободно генерировать ее в любое время, когда в этом есть необходимость.

Стоимость солнечной электроэнергии не должна превышать стоимости ископаемого топлива, сэкономленного с ее помощью. Если, например, газ в Германии стоит 450 долларов, то цена солнечной генерации в этой стране не должна превышать 0,1 доллара за киловатт час, в противном случае солнечная энергетика в этой стране является убыточной. До тех пор пока ископаемое топливо будет оставаться дешевым и легкодоступным, генерация солнечной энергии является невыгодной с экономической точки зрения.

В настоящее время использование энергии солнца и дорогостоящих солнечных аккумуляторных систем является экономически оправданным только для тех регионов и объектов, где нет других возможностей подключения к электросетям. Например, на одиноко стоящей, отдаленной станции сотовой связи.

Однако, не стоит забывать следующих важных факторов, которые вселяют оптимизм при рассмотрении солнечной энергетики:
1. Стоимость ископаемого топлива неуклонно растет по мере уменьшения его запасов.
2. Разумная государственная политика делает использование солнечных электростанций выгоднее.
3. Прогресс не стоит на месте! КПД солнечных электростанций повышается, разрабатываются новые технологии в генерировании и аккумулировании электроэнергии.

Поэтому, хочется верить, через 3-5 лет можно будет написать гораздо более позитивный обзор этой отрасли энергетики!

5 самых перспективных разработок солнечных батарей.

Применение солнечных батарей

Как работает солнечная батарея? Солнечные батареи используют кремниевые пластины, благодаря которым солнечный свет преобразовывается в электрическую энергию. На данный момент солнечные батареи пользуются достаточной популярностью и спросом. Их применение не ограничивается использованием на предприятиях и солнечных электростанциях производящих электроэнергию. Солнечные батареи используются в космической и телекоммуникационной сферах, медицине, автомобильной сфере и электронике.

На космических аппаратах солнечные батареи, в данное время, служат главным источником электроэнергии. Благодаря своей экологичности такие батареи намного безопаснее чем ядерные и радиоизотопные источники энергии. При этом, интересно знать, что эффективность солнечных батарей в космосе прямопропорционально зависит от расстояния космического аппарата к солнцу. К примеру, эффективность батареи возле Марса, будет намного ниже чем возле Земли, не говоря уже о Венере или Меркурие, возле которых эффективность возрастает в 2 и 6 раз соответственно.

В современных моделях авто, особенно экологичных электромобилях, производители практикуют установку солнечных панелей на крыше автомобиля. Такое расположение призвано обеспечить дополнительным зарядом машину, главное чтобы солнце светило ярко и не было туч. Безусловно, мощности одной такой панели еще недостаточно чтобы можно было навсегда забыть о каких либо дополнительных подзарядках автомобиля. Также применяют такой источник энергии при создании различной малогабаритной техники, по-типу смартфонов или планшетов. А также внешних источников подзарядки.

Кроме вышеперечисленных способов, панели часто устанавливают на обычных жилых домах. Здесь стоит заметить, что при неплохой эффективности, такие панели окупаются достаточно долгое время. По – этому, использовать дома солнечную батарею, возможно, не самый выгодный вариант, так как окупаемость по времени достаточно долгая. А производительность может недостаточно высокой, в зависимости от условий (недостаток солнца).

Используемые в солнечных батареях кремниевые пластины, на данный момент оптимальный, но не лучший из вариантов. Последнее время ученые активно ищут элементы, которые обеспечат более высокий кпд при преобразовании солнечного света в электроэнергию.

Теперь рассмотрим батареи будущего

1. В Америке была создана солнечная батарея основанная на полупроводниковых кристаллах. Это очень маленькие кристаллы, чей размер не превышает нескольких нанометров. При этом, эти крохотные элементы (квантовые точки) выдают высокий кпд. Особо красноречиво об эффективности этих кристаллов говорят показатели: 114% и 130% внешней и внутренней квантовой эффективности. Если вам эти цифры не о чем не говорят, то обращаем ваше внимание, что ранее до этого момента не один солнечный элемент не демонстрировал показателя выше 100%. Это возможно на данный момент самая перспективная разработка. В то же время, массового производства солнечных панелей основанных на такой технологии не стоит ждать в ближайшее время. Процесс создания такой солнечной панели достаточно сложный и дорогой.

2. Следующее необычное решение применил Прашант Камат, который вместе со своими помощниками создали краску способную генерировать энергию. Она состоит из квантовых точек диоксида титана, которые покрывают сульфидом кадмия, а так же селенидом кадмия, что имеет вид водно-спиртовой смеси. Эту смесь в виде пасты нанесли на стекло с проводящим слоем. После этого обожгли место с нанесенной пастой, в результате чего получилась фотогальваническая батарея. Для того чтобы с помощью такой батареи генерировать ток, вам требуется только электрод, а так же разместить батарею на солнце. После этого вы будете получать электроэнергию. Сила этой разработки заключается в ее относительной простоте, а так же в том, что наносить пасту вы можете буквально куда вздумается. После этого можно ездить на машине и генерировать энергию, покрасить дом и тому подобное. Главное, чтобы было побольше солнца. Это и есть главный недостаток разработки, ведь проблематично будет использовать такой ноу хау в северных регионах, где мало солнца. При этом, поскольку такая “батарея” может не занимать никакого важного места, то она будет приносить вам электрический ток в любой момент когда выглянет солнце. И при этом вы даже можете забыть о ней, ведь это не классическая солнечная батарея, а всего лишь специальный элемент имеющий вид пасты, который можно нанести небольшим слоем на что угодно.

Кпд этой краски совсем не велик, всего 1%, даже сравнительно с обычными кремниевыми элементами этого явно мало ( кпд меньше в 15 раз сравнимо с кремниевыми). Вы можете подумать, какой тогда смысл в такой солнечной “батарее”? эта краска может компенсировать небольшой кпд своей массовостью. Ведь для ее создания не нужно много денег, а если раскрасить большую территорию, то эффект может быть даже большим, чем от нескольких солнечных панелей.

3. А как вам идея создать солнечные батареи основанные на биологических молекулах, обладающими свойством собирать свет? Андреас Мершин воплотил такую идею в жизнь. Кпд итогового продута оказался достаточно низким – 0.1%. Да, это очень низкий показатель. Но! Поскольку это новая разработка, то она имеет еще достаточно вариантов для усовершенствования и развития, о чем и говорят разработчики. При реализации их идей, можно повысить кпд до 1 – 2%. А такой показатель уже достаточно конкурентоспособен. А если еще учесть что себестоимость такой биологической батареи очень низкая, то вероятность ее массовости значительно возрастает. К тому же, буквально каждый сможет сам создать такую установку. Для этого нужно иметь химический реактив и стог свежей травы.

4. Солнечные батареи на основе органических полимеров. В случаи с этим типом, важно наладить их массовое производство. Если это сделать, такие батареи будут дешевле конкурентных моделей, использующих кремний как основу. Даже на данный момент их кпд составляет 10.9% Существуют все шансы на то, что в ближайшие несколько лет полимерные батареи начнут массово производиться, и при этом достигнут показателя кпд в 15%. Такой показатель соответствует уровню кремниевых установок.

5. Еще одной перспективной разработкой являются сверхтонкие солнечные батареи. Японские ученые совместно с австрийскими коллегами создали такой вид батарей, который оказался невероятно тонким и гибким (толщина 1.9 мкм). Это самые тонкие из ранее созданных батарей. Такой “батареей” смогли обернуть человеческий волос. При разработке использовались все стандартные материалы, но вот подложку изготовили из полиэтилентерефталата. Выдает такая батарея кпд в 4.2%, что достаточно хороший результат, а если еще взять во внимание удельную мощность в 10 Ватт на грамм веса, что в 1000 раз больше от батарей с мультикристалическим кремнием. Становится понятно, что такие разработки достаточно перспективны, ведь при своем микроскопическом размере способны выдавать достаточно высокий кпд. Да, производственный процесс не отличается простотой и цена на такие разработки не самая низкая. Но если правильно подойти к вопросу и по-умному оптимизировать производство, можно сократить как расходы.

А когда появились первые солнечные батареи?

Да, немного нестандартный подход я выбрал к построению данной статьи. Обычно начинают с истории. Но поскольку мы движемся только в направлении будущего, именно оно для нас в приоритете. А историю мы познаем ради опыта и интереса. Потому так и поступим.

Вы может быть уже где-то читали подобную информацию, но наверняка во многих источниках речь шла о 19-20 столетиях. Что якобы именно тогда появились первые солнечные батареи. Это верно! Однако это только часть правды. Солнечная энергия используется людьми с самых давних времен. И несправедливо будет сказать, что все те виды древней эксплуатации солнца были чем-то отстраненным от солнечной батареи. Энергия каким-либо образом генерировалась и использовалась. Принцип по-сути один. Единственное отличие в накоплении.

В общем говоря. Углубляясь в историю вспоминается легенда, которая может иметь под собой все основания. Античная Греция.. Архимед..Сиракузы.. Вспоминаете? Речь в легенде была о том, что Архимед используя зажигательные зеркала сжег вражеский флот, осадивший его город. А турецкие султаны использовали солнце для подогрева воды, которую затем использовали в различных целях. А как на счет выпарить морскую воду на солнце, с целью получить поваренную соль? Не вопрос, ведь жители Африки из древних времен пользовались таким методом.

В 18 веке была созданна первая вогнутая линза, с помощью которой можно было поджигать деревья с растояния около 70 метров. А через небольшое время после этого был создан водонагреватель, немецким ученым Соссюром. Конструкция представляла из себя сбитый из дерева ящик, который сверху накрывался стекляной крышкой. В такой емкости в солнечный день, вода нагревалась до 88°С. А французский ученый А. Лавуазье в 1774 году использовал линзу, чтобы сконцентрировать солнечную энергию.

Современная же история, по стандарту, начинается в 1839 году, когда открыли фотогальванический эффект, который подразумевает преобразование энергии солнца в электроэнергию. Открыл этот эффект Александр Эдмон Бакерель. С этого времени, постепенно развивая и дополняя старые разработки, солнечные батареи двигались по пути прогресса. Естественно что за те 100 с лишним лет, от открытия эффекта и до нового времени, чередовались как периоды как интенсивного роста, так и застой. В конечном итоге, развитие обрело большую стремительность в те времена, когда началось производство спутников и активное освоение космоса. А первая промышленная солнечная батарея была установлена лишь в 1985 году.

Генерируемая солнцем энергия намного превышает потребности человечества. Важно только правильно научится использовать эту энергию, в как можно больших объемах, и тогда человечество не будет испытывать больше потребностей в электроэнергии, какие бы грандиозные и энергозатратные проекты мы не внедряли.

Вся правда об эффективности солнечных панелей (10 фото)

Хозяин одного дома, установивший солнечные панели и следивший в течение года за их работой, решил поделиться своими впечатлениями о подобных девайсах. Подсчитав сэкономленную электроэнергию, он сделал вывод о целесообразности использования подобной системы.

Далее слова автора:

Сейчас вы узнаете то, о чем никогда не расскажут продавцы солнечных панелей.

Ровно год назад, в октябре 2015 года, в качестве эксперимента я решил записаться в ряды «зеленых», спасающих нашу планету от преждевременной гибели, и приобрел солнечные панели максимальной мощностью 200 ватт и грид-инвертор рассчитанный максимум на 300 (500) ватт вырабатываемой мощности. На фотографии вы можете увидеть структуру поликристаллической 200-ваттной панели, но через пару дней после покупки стало ясно, что в одиночной конфигурации у неё слишком низкое напряжение, недостаточное для правильной работы моего грид-инвертора.

Поэтому мне пришлось её поменять на две 100-ваттных монокристаллических панели. Теоретически они должны быть немного эффективнее, по факту же они просто дороже. Это панели высокого качества, российского бренда Sunways. За две панели я заплатил 14 800 рублей.

Вторая статья расходов — грид-инвертор китайского производства. Производитель никак себя не обозначил, но устройство сделано качественно, а вскрытие показало, что внутренние компоненты рассчитаны на мощность до 500 ватт (вместо 300, написанных на корпусе). Стоит такой грид всего 5 000 рублей. Грид — это гениальное устройство. С одной стороны к нему подключается + и – от солнечных панелей, а с другой стороны он с помощью обычной электрической вилки подключается совершенно в любую электрическую розетку в вашем доме. В процессе работы грид подстраивается под частоту в сети и начинает “выкачивать” переменный ток (сконвертированный из постоянного) в вашу домашную сеть 220 вольт.

Грид работает только при наличии напряжения в сети и его нельзя рассматривать как резервный источник питания. Это его единственный минус. А колоссальным плюсом грид инвертора является то, что вам в принципе не нужны аккумуляторы. Ведь именно аккумуляторы являются самым слабым звеном в альтернативной энергетике. Если та же солнечная панель гарантированно отработает более 25 лет (то есть через 25 лет она потеряет примерно 20% своей производительности), то срок службы обыкновенного свинцового аккумулятора в аналогичных условиях составит 3-4 года. Гелевые и AGM аккумуляторы прослужат дольше, до 10 лет, но они и стоят в 5 раз дороже обычных аккумуляторов.

Поскольку у меня есть сетевое электричество, то мне никакие аккумуляторы не нужны. Если же делать систему автономной, то нужно добавить к бюджету еще 15-20 тысяч рублей на аккумулятор и контроллер к нему.

Теперь, что касается выработки электроэнергии. Вся энергия вырабатываемая солнечными панелями в реальном времени попадает в сеть. Если в доме есть потребители этой энергии, то она вся будет израсходована, а счетчик на вводе в дом «крутиться» не будет. Если же моментальная выработка электроэнергии превысит потребляемую в данный момент, то вся энергия будет передана обратно в сеть. То есть счетчик будет «крутиться» в обратную сторону. Но тут есть нюансы.

Во-первых, многие современные электронные счетчики считают проходящий через них ток без учета его направления (то есть вы будете платить за отдаваемую обратно в сеть электроэнергию). А во-вторых, российское законодательство не разрешает частным лицам продавать электроэнергию. Такое разрешено в Европе и именно поэтому там каждый второй дом обвешан солнечными панелями, что в совокупности с высокими сетевыми тарифами позволяет действительно экономить.

Что делать в России? Не ставить солнечные панели, которые могут выработать энергии больше, чем текущее дневное энергопотребление в доме. Именно по этой причине у меня всего две панели суммарной мощностью 200 ватт, которые с учетом потерь инвертора могут отдать в сеть примерно 160-170 ватт. А мой дом стабильно круглосуточно потребляет примерно 130-150 ватт в час. То есть вся выработанная солнечными панелями энергия будет гарантированно потреблена внутри дома.

Для контроля вырабатываемой и потребляемой энергии я пользуюсь Smappee. Я уже писал про него в прошлом году. У него два трансформатора тока, которые позволяют вести учет как сетевой, так и вырабатываемой солнечными панелями электроэнергии.

Начнём с теории, и перейдем к практике.

В интернете есть много калькуляторов солнечных электростанций. Из моих исходных данных согласно калькулятору следует, что среднегодовая выработка электроэнергии моих солнечных панелей составит 0,66 квтч/сутки, а суммарная выработка за год — 239,9 квтч.

Это данные для идеальных погодных условий и без учета потерь на конвертацию постоянного тока в переменный (вы же не собираетесь переделывать электроснабжение своего домохозяйства на постоянное напряжение?). В реальности полученную цифру можно смело делить на два.

Сравниваем с реальными данными по выработке за год:

2015 год – 5,84 квтч
Октябрь – 2,96 квтч (с 10 октября)
Ноябрь – 1,5 квтч
Декабрь – 1,38 квтч
2016 год – 111,7 квтч
Январь – 0,75 квтч
Февраль – 5,28 квтч
Март – 8,61 квтч
Апрель – 14 квтч
Май – 19,74 квтч
Июнь – 19,4 квтч
Июль – 17,1 квтч
Август – 17,53 квтч
Сентябрь – 7,52 квтч
Октябрь – 1,81 квтч (до 10 октября)

Всего: 117,5 квтч

Вот график выработки и потребления электроэнергии в загородном доме за последние 6 месяцев (апрель-октябрь 2016 года). Именно за апрель-август солнечными панелями была выработана львиная доля (более 70%) электрической энергии. В остальные месяцы года выработка была невозможна по большей части из-за облачности и снега. Ну и не забываем, что КПД грида по конвертации постоянного тока в переменный примерно 60-65%.

Солнечные панели установлены практически в идеальных условиях. Направление строго на юг, поблизости нет высоких домов отбрасывающих тень, угол установки относительно горизонта — ровно 45 градусов. Этот угол даст максимальную среднегодовую выработку электроэнергии. Конечно можно было купить поворотный механизм с электроприводом и функцией слежения за солнцем, но это бы увеличило бюджет всей установки практически в 2 раза, тем самым отодвинув срок её окупаемости в бесконечность.

По выработке солнечной энергии в солнечные дни у меня нет никаких вопросов. Она полностью соответствует расчетным. И даже снижение выработки зимой, когда солнце не поднимается высоко над горизонтом не было бы настолько критично, если бы не. облачность. Именно облачность является главным врагом фотовольтаики. Вот вам почасовая выработка за два дня: 5 и 6 октября 2016 года. Пятого октября светило солнце, а 6 октября небо затянули свинцовые тучи. Солнце, ау! Ты где спряталось?

Зимой есть еще одна небольшая проблема — снег. Решить её можно только одним способом, установить панели практически вертикально. Либо каждый день вручную очищать их от снега. Но снег это ерунда, главное чтобы светило солнце. Пусть даже низко над горизонтом.

Итак, подсчитаем расходы:

Грид инвертор (300-500 ватт) — 5 000 рублей
Монокристаллическая солнечная панель (Grade A — высшего качества) 2 шт по 100 ватт — 14 800 рублей
Провода для подключения солнечных панелей (сечением 6 мм2) — 700 рублей
Итого: 20 500 рублей.
За прошедший отчетный период было выработано 117,5 квтч, по текущему дневному тарифу (5,53 руб/квтч) это составит 650 рублей.
Если предположить, что стоимость сетевых тарифов не изменится (на самом деле они изменяются в большую сторону 2 раза в год), то свои вложения в альтернативную энергетику я смогу вернуть только через 32 года!

А уж если добавить аккумуляторы, то вся эта система никогда себя не окупит. Поэтому солнечная энергетика при наличии сетевого электричества может быть выгодна только в одном случае — когда у нас электроэнергия будет стоить как в Европе. Вот будет стоить 1 квтч сетевого электричества более 25 рублей, вот тогда солнечные панели будут очень выгодны.
Пока же использовать солнечные панели выгодно только там, где нет сетевого электричества, а его проведение стоит слишком дорого. Предположим, что у вас его загородный дом, расположенный в 3-5 км от ближайшей электрической линии. Причем она высоковольтная (то есть потребуется установка трансформатора), а у вас нет соседей (не с кем разделить расходы). То есть за подключение к сети вам придется заплатить условно 500 000 рублей, а после этого еще и платить по сетевым тарифам. Вот в этом случае вам будет выгоднее купить на эту сумму солнечные панели, контроллер и аккумуляторы — ведь после ввода системы в эксплуатацию вам уже больше платить не нужно будет.
А пока стоит рассматривать фотовольтаику исключительно, как хобби.

Перспективы использования солнечной энергии для отопления дома в России

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 28.04.2014 2014-04-28

Статья просмотрена: 2982 раза

Библиографическое описание:

Аль-шариф А. Г. Перспективы использования солнечной энергии для отопления дома в России // Молодой ученый. 2014. №6. С. 127-131. URL https://moluch.ru/archive/65/10633/ (дата обращения: 29.01.2020).

В статье рассмотрено использование солнечной энергии для отопления дома в России и по сравнению с использованием в Европе

Ключевые слова: солнечная энергия, отопление, Солнечные ресурсы

С чем связан постоянный рост цен на энергию? Конечно, с колебанием и увеличением цен на нефть и газ на мировом рынке из-за истощения их запасов. Но ведь существуют альтернативные возобновляемые источники энергии, за которые не надо никому платить, которые не загрязняют окружающую среду и не истощаются – это ветер, солнце, тепло земли, тепло воздуха, морские волны и даже энергетический потенциал нашей планеты. Из всех видов альтернативных источников чаще всего используются солнечные батареи и ветрогенераторы, значительно реже — термальные источники и грунтовые теплообменники. Например, установка солнечных батарей для отопления дома поможет сократить на 70 % энергопотребление, а значит, и расходы из семейного бюджета.

Примерно треть источников энергии (уголь, нефть, газ) мы превращаем в тепло: большая часть этой энергии используется для отопления помещений и подогрева воды. Изменения климата и зависимость от ископаемых источников энергии, запасы которых заметно сократятся в ближайшие десятилетия, заставляют нас действовать быстро. Широкое применение солнечной энергии для отопления жилых домов уже сегодня показывает, как мы можем справиться с этой проблемой. Это означает не только использование новых стандартов при строительстве, но и то, что надо резко сократить потребление энергии в доме. Проведя продуманную перестройку дома и используя большую термическую гелиосистему, можно сократить расход тепла на четверть или даже на треть. Только при этом условии в будущем будет достаточно сырья (такого как древесина), чтобы покрыть оставшуюся потребность в энергии.

Солнечные батареи для отопления дома устанавливаются на крышу, увеличивая её защитную функцию и, несомненно, придают дому высокотехнологичный и современный вид. Их можно устанавливать как сразу при строительстве дома, так и на дом давнишней постройки, принципиального значения это не имеет.

Монтаж солнечных батарей для отопления дома производится так же, как и Солнечные батареи для отопления можно использовать и на многоквартирных домах. То есть, специалист по окнам вполне может справиться с монтажом коллектора на крыше. Дальнейшую установку оборудования лучше доверить специалисту по отоплению и водоснабжению.

Надо сказать, что в современных солнечных батареях для отопления дома используется закаленное стекло и уплотнительные фланцы уникальной конструкции, поэтому они абсолютно устойчивы к погодным катаклизмам и механическим повреждениям.

Солнечная батарея для отопления дома — существенная экономия денег. Выясняя, сколько стоит солнечная батарея и будет ли вам выгодна её установка, следует учитывать различные факторы: ежедневную потребность в горячей воде, площадь и угол наклона крыши, освещенность крыши солнцем и т. д.

Чтобы не затрудняться с вычислением индивидуальных параметров, можно воспользоваться средними показателями: на 1 человека нужен 1 м² светопоглощающей поверхности. Определить параметры и сколько стоит солнечная батарея для отопления вашего дома, можно исходя из того, что на 10 кв. м теплого пола нужно установить 1 м² поверхности коллектора. [4]

Инсоляцию также можно учитывать по средним показателям для вашей местности. При средней инсоляции в 1000 кВт/ч на 1 м² в год, может быть получена энергия, как от сжигания 100 литров газа или других видов топлива.

Например, немецкий солнечный коллектор Roto Sunroof, довольно популярен в Европе. Его площадь — 2,13 м². Двух коллекторов достаточно для обеспечения горячей водой семьи из 4 человек, это примерно 2000 кВт/ч электроэнергии в год. Установка из трех коллекторов производит, соответственно, 3000 кВт/ч энергии. [1] Подсчитывая, сколько стоит солнечная батарея, следует исходить из необходимого и достаточного количества энергии для обеспечения вашего дома.

Если в доме установлено традиционное отопление, которое работает во время низкой солнечной активности и солнечная батарея, то энергией солнца перекрывается 70 % потребляемой энергии. Когда будете подсчитывать, во сколько вам обойдется солнечная батарея и стоит ли её покупать, учтите экономию своих расходов на электроэнергию на 70 %.

Рис. 1. Солнечные ресурсы России

Рис. 2. Солнечная радиация (кВт ч/м 2 день)

Рост цен на энергоносители в России заставляет проявлять интерес к дешевым источникам энергии. Наиболее доступной является солнечная энергия. Энергия солнечной радиации, падающая на Землю в 10 000 раз превышает количество вырабатываемой человечеством энергии. Проблемы возникают в технологии сбора энергии и в связи с неравномерностью поступления энергии на гелиоустановки. Поэтому солнечные коллекторы и солнечные батареи применяются или совместно с аккумуляторами энергии или в качестве средства дополнительной подпитки для основной энергетической установки.

Страна у нас обширна и картина распределения солнечной энергии по ее территории весьма разнообразна (рис. 1 и 2.). [3]

Зоны максимальной интенсивности солнечного излучения (рис.2). На 1 квадратный метр поступает более 5 кВт/час. солнечной энергии в день.

По южной границе России от Байкала до Владивостока, в районе Якутска, на юге Республики Тыва и Республики Бурятия, как это не странно, за Полярным Кругом в восточной части Северной Земли.

Поступление солнечной энергии от 4 до 4,5 кВт/час на 1 кв. метр в день

Краснодарский край, Северный Кавказ, Ростовская область, южная часть Поволжья, южные районы Новосибирской, Иркутской областей, Бурятия, Тыва, Хакассия, Приморский и Хабаровский край, Амурская область, остров Сахалин, обширные территории от Красноярского края до Магадана, Северная Земля, северо-восток Ямало-Ненецкого АО.

От 2,5 до 3 кВт/час на кв. метр в день

По западной дуге — Нижний Новгород, Москва, Санкт-Петербург, Салехард, восточная часть Чукотки и Камчатка.

От 3 до 4 кВт/час на 1 кв. метр в день

Наибольшую интенсивность (рис.3) поток энергии имеет в мае, июне и июле. В этот период в средней полосе России на 1 кв. метр поверхности приходится 5 кВт.час в день. Наименьшая интенсивность в декабре-январе, когда 1 кв. метр поверхности приходится 0,7 кВт/час в день.

Если установить солнечный коллектор под углом 30 градусов к поверхности, то можно обеспечить съем энергии в максимальном и минимальном режиме соответственно 4,5 и 1.5 кВт час на 1 кв. метр в день.

Рис.3. Распределение интенсивности солнечного излучения в средней полосе России по месяцам [5]

Исходя из приведенных данных можно рассчитать площадь плоских солнечных коллекторов, необходимую для обеспечения горячего водоснабжения семьи из 4-х человек в индивидуальном доме. Нагрев 300 литров воды от 5 градусов до 55 градусов в июне могут обеспечить коллекторы площадью 5,4 квадратного метра, в декабре 18 кв. метров. Если применить более эффективные вакуумные коллекторы, то требуемая площадь коллекторов снижается примерно вдвое.

Рис.4. Покрытие потребностей в ГВС на счет солнечной энергии [5]

На практике солнечные коллекторы желательно применять не в качестве основного источника ГВС, а в качестве устройства для подогрева воды, поступающей в отопительную установку. В этом случае расход топлива резко снижается. При этом обеспечивается бесперебойная подача горячей воды и экономия средств на ГВС и отопление дома, если это дом для постоянного проживания. На дачах, в летнее время, для получения горячей воды, применяются различные виды солнечных коллекторов. От коллекторов заводского изготовления до самодельных устройств, изготовленных из подручных материалов. Различаются они, прежде всего, по эффективности. Заводской эффективнее, но стоит дороже. Практически бесплатно можно сделать коллектор с теплообменником от старого холодильника.

В России установка солнечных коллекторов регламентируется РД 34.20.115–89 «Методические указания по расчету и проектированию систем солнечного обогрева», ВСН 52–86 «Установки горячего солнечного водоснабжения. Нормы проектирования». Имеются рекомендации по использованию нетрадиционных источников энергии в животноводстве, кормопроизводстве, крестьянских хозяйствах и сельском жилищном секторе, разработанные по заявке Минсельхоза в 2002 году. Действуют ГОСТ Р 51595 «Солнечные коллекторы. Технические требования», ГОСТ Р 51594 «Солнечная энергетика. Термины и определения». [2]

В этих документах довольно подробно описаны схемы применяемых солнечных коллекторов и наиболее эффективные способы их применения в различных климатических условиях.

Европейцы широко применяют солнечные батареи в своих домах, ведь они экономичны и экологичны. Действительно, опыт продвинутых жителей Европы, которые, как известно, умеют считать деньги, стоит перенять и для отечественных домов.

В Германии государство дотирует затраты на установку солнечных коллекторов, поэтому их применение устойчиво растет. В 2006 году было установлено 1 миллион 300 тысяч квадратных метров коллекторов. Из этого количества примерно 10 % более дорогие и эффективные вакуумные коллекторы. Общая площадь установленных на сегодняшний день солнечных коллекторов составила примерно 12 миллионов квадратных метров.

В Европейских странах солнечные коллекторы для отопления используют в 50 % от общего количества установленных гелиосистем. Однако следует понимать, что гелиосистемы используют лишь для поддержки отопления и экономии основного энергоресурса, поскольку теплопотребление значительно превышает выработку энергии гелиосистемой в отопительный период.

Наиболее распространенным является использование гелиосистем с суточной аккумулированием тепловой энергии. Недостатком солнечных систем для поддержки отопления с суточным аккумулированием теплоты являются невозможность использовать излишки теплоты в летнее время. Выходом из данной ситуации может быть использование сезонного аккумулирования. Однако такую систему крайне сложно реализовать на практике из-за необходимости установки огромных накопительных емкостей (объемом от 10 м³). Как правило, такие емкости закапывают под землю или строят специальный резервуар из бетона с крышкой.

Таким образом необходимо заметить, что проведенное исследование позволяет заключить:

Научиться использовать солнечную энергию для получения тепловой энергии люди пытались с древних времен.

Первые солнечные нагреватели появились во Франции. Естествоиспытатель Ж. Бюффон создал большое вогнутое зеркало, которое фокусировало в одной точке отраженные солнечные лучи. Это зеркало было способно в ясный день быстро воспламенить сухое дерево на расстоянии 68 м.

Вскоре после этого шведский ученый Н. Соссюр построил первый водонагреватель. Это был обычный деревянный ящик со стеклянной крышкой, однако вода в нем нагревалась солнцем до 88°С.

В 1774г. великий французский ученый А. Лавуазье впервые применил линзы для концентрации тепловой энергии солнца. Вскоре в Англии отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, расплавлявшее чугун за три секунды и гранит — за минуту.

Солнечный коллектор — один из самых простых способов использования энергии солнца, который не требует больших вложений, высоких технологий и большого уровня знаний.

Системы теплоснабжения на базе солнечных коллекторов совершенствуются во всем мире, чтобы сделать их объектом массового спроса.

Современное общество является свидетелем очередного глобального перехода на новые энергоносители, который начался приблизительно в начале 90-х годов прошлого века.

Определяющей характеристикой текущего этапа является его экологическая направленность, стремление избавиться от зависимости от ископаемых ресурсов, добыча и использование которых истощает и загрязняет природу.

Считается, что разработка источников альтернативной энергии все еще дело завтрашнего дня, на самом деле по отдельным направлениям в технической практике уже произошла тихая революция.

Одним из успешных направлений стала гелиоэнергетика.

Одним из ключевых направлений гелиоэнергетики является производство и эксплуатация солнечных коллекторов.

С помощью солнечных коллекторов можно обогревать помещения даже при минусовых температурах.

Коллекторы активно применяются во многих странах, отечественные потребители также начинают присматриваться к аккумулирующим солнечную радиацию установкам.

1. Актуальные вопросы технических наук (II): международная заочная научная конференция (г. Пермь, февраль 2013 г.) / отв. ред.: Г. А. Кайнова. — Пермь: Меркурий, 2013. — 107 с.

2. Альтернативная энергетика и энергосбережение в регионах России: материалы научно-практического семинара, г. Астрахань, 14–16 апреля 2010 г. / Астраханский гос. ун-т, Акад. электротехнических наук Российской Федерации; сост. Л. Х. Зайнутдинова. — Астрахань: Астраханский ун-т, 2010. — 101 с.

3. Вестник Краснодарского регионального отделения Русского географического общества: сборник Вып. 7 / отв. ред.: И. Г. Чайка, Ю. В. Ефремов. — Краснодар, 2013–399 с.

4. Йе В. Исследование эффективности использования солнечной энергии для систем автономного энергоснабжения в Республике Союза Мьянма: диссертация. кандидата технических наук: 05.14.08 / Йе Вин; Место защиты: Нац. исслед. ун-т МЭИ. — Москва, 2013. — 155 с.

5. Курбатов, Н. Е. Использование возобновляемых источников энергии в условиях Забайкалья: способы и устройства для преобразования энергии солнечного излучения [Текст] / Н. Е. Курбатов, Е. Н. Курбатов; Федеральное агентство по образованию, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования «Забайкальский гос. ун-т» (ЗабГУ) Ч. 3. Использование возобновляемых источников энергии в условиях Забайкалья: естественные среды в качестве аккумуляторов солнечной энергии. — Чита, 2012. — 154 с.

Энциклопедия домовладельца .

Мы в соцсетях

Перспективы использования солнечных батарей

Рынок солнечной энергии для россиян пока остаётся диковинкой, а вот для жителей многих стран он уже стал «прозой жизни». Во всяком случае, наши соотечественники, побывавшие за рубежом, обращают внимание на массовое использование солнечных батарей в быту и коммунальном хозяйстве. В число «технологически продвинутых» регионов входят не только солнечные курорты Испании, Италии или, скажем, западное побережье США, но также, например, Германия, Швеция или Финляндия, где климатические условия близки к условиям Европейской части России. Поэтому опыт североевропейских стран для нас особенно интересен.

Солнечные батареи постепенно начинают применяться и в России. В первую очередь — как вспомогательная и аварийная система энергоснабжения, но они могут работать и автономно. Некачественное энергоснабжение обычно характерно для сельской местности — скажем, устаревшая сеть не рассчитана на большую нагрузку (раньше расчётная нагрузка на один дом составляла 2,5 кВт). Такая сеть способна выдержать подключение холодильника, телевизора и нескольких осветительных приборов. Если при этом будет работать ещё и современная стиральная машина с подогревом воды, то, вероятно, возникнут проблемы. Ну а при подключении более мощного водонагревателя или сварочного аппарата сеть просто не выдержит.

Солнечные батареи позволяют компенсировать недостаточную мощность сети (обычно 1,5-3 кВт) без потери комфорта. Причём управляющий компьютер способен составить расписание включения-выключения основных энергопотребляющих устройств в доме в зависимости от предполагаемого объёма выработанной электроэнергии, которую он высчитывает на основании метеопрогнозов, полученных через сети связи (Интернет). Допустим, завтра ожидается солнечная погода—значит, можно запланировать стирку.

ПОДБИРАЕМ СИСТЕМУ

Автономная система энергоснабжения, помимо солнечных батарей, включает в себя ещё несколько компонентов. Перечислим основные из них.

Инвертор — так сокращённо называют инверторный преобразователь постоянного тока в переменный (и наоборот). Инвертор — важнейшее устройство системы, к которому подключаются и другие источники тока (солнечные батареи, ветрогенератор, дизельный генератор и т. д.) через соответствующие контроллеры, комплект аккумуляторных батарей, внешнюю и внутридомовую электросети. Следует учесть, что модели инверторов, используемые совместно с электросетью, отличаются по конструкции от работающих автономно.
Контроллеры заряда солнечных батарей — устройства, отвечающие за эффективное преобразование вырабатываемой электроэнергии. Без контроллеров невозможна работа солнечных панелей с аккумуляторами — их пришлось бы вручную отключать от аккумуляторных батарей каждую ночь и в конце каждого заряда. Кроме того, контроллеры повышают эффективность функционирования солнечных панелей на 30-50 %.
Аккумуляторные батареи (АКБ) запасают энергию, ведь солнечные панели работают только в светлое время суток. Мы подробно поговорим о них в отдельной статье.
Реле управления внешними устройствами. В автономной системе они используются для включения и выключения групп устройств, на которые подаётся электроэнергия. Также реле применяются, например, для автоматического включения дизельного генератора в случае сильного снижения уровня заряда АКБ.

Кроме того, в систему могут входить дополнительные генераторы тока. Чаще всего—дизельный генератор, который играет роль аварийного, когда капризы погоды не позволяют солнечным батареям работать на полную мощность. Дизельный генератор целесообразнее использовать в системах с большим периодом времени отключения от сети (от нескольких суток и более).

Перед подбором компонентов системы необходимо рассчитать её технические характеристики — они будут определяться временем автономной работы установки, а также объёмом электроэнергии, который должны вырабатывать солнечные батареи. Оба параметра обуславливают стоимость системы, и при их выборе неопытные пользователи часто допускают досадные ошибки. Лучше всего доверить расчёт профессионалам.

ТИПЫ БАТАРЕИ

Производительность и долговечность солнечных батарей могут сильно различаться. Так, у недорогих китайских панелей КПД всего 4-5 %, а срок службы составляет 3-4 года. «Нормальные» батареи (в том числе китайские) имеют КПД 12-15 %, а срок службы — 25 лет. У высококлассных производителей (Kyocera, Sharp, Panasonic, Samsung) КПД батарей может достигать 15-18 %, а срок службы измеряется десятками лет. Зато и стоят такие устройства на порядок дороже. С каждым годом эффективность переработки солнечного света в электроэнергию растёт. Так, в 2014 г. разработанные Panasonic солнечные панели HIT, представляющие собой пластины из монокристаллического кремния, который окружён сверхтонкой плёнкой из аморфного кремния, обеспечили рекордный КПД в 25,6 %. В ближайшие годы ожидается появление панелей с КПД выше 30%.

Солнечные панели изготавливаются из кремния и в зависимости от его структуры бывают трёх типов: монокристаллические, поликристаллические и из аморфного кремния. Все разновидности имеют свои особенности.

Монокристаллические панели принято считать самыми лучшими. У них высокий КПД (около 18 % у элементов, 15,5 % у собранных из них батарей), срок службы около 50 лет. Однако эти устройства сложны в изготовлении и дороже моделей других типов.

Поликристаллические панели состоят, грубо говоря, из осколков монокристалла. Отличаются меньшим КПД (15 %у элементов и 12 % у всей системы), срок службы составляет 20-25 лет. Зато они стоят дешевле монокристаллических. Панели из аморфного кремния по своим характеристикам примерно соответствуют поликристаллическим (несколько лет назад аморфные устройства отставали по сроку службы, который составлял 5-10 лет, но у новых моделей параметры значительно улучшились).

Солнечные батареи различаются и по эффективности работы в разных условиях. Так, монокристалл и поликристалл хорошо функционируют при ярком солнечном освещении, а при облачности выработка энергии у них заметно падает. Панели из аморфного кремния в пасмурную погоду работают немного лучше, чем устройства из монокристалла или поликристалла (при одинаково установленной мощности). Поэтому первые предпочтительнее во время малосолнечного и дождливого лета. Кроме того, батареи из аморфного кремния менее зависимы от точности ориентации плоскости панели относительно угла падения солнечных лучей. Эффективны они и при косых лучах солнца. Кристаллические батареи рекомендуется размещать так, чтобы угол падения солнечных лучей был максимально близок к 90°. Однако аморфники имеют меньший срок службы и занимают достаточно большую площадь при одинаковой с монопанелями мощности (из-за низкого КПД), поэтому с финансовой точки зрения их установка менее выгодна.

Солнечные батареи обычно монтируют на крыше. Лучше всего подходит южный скат, особенно если угол его наклона совпадает с географической широтой.

Также распространён вариант размещения на двух смежных скатах, развёрнутых в юго-западном и юго-восточном направлениях. В этом случае на каждый скат помещают половину батарей. При этом общий объём выработанной электроэнергии немного уменьшается, но увеличивается время работы панелей. Когда оптимальное (в нашем случае — южное) направление использовать не получается, солнечные батареи можно разместить на скатах, развёрнутых на восток или запад. При этом придётся увеличить количество панелей, чтобы компенсировать снижение эффективности их работы. В населённых пунктах с географической широтой 55-60° и больше солнечные батареи можно располагать вертикально — на стене или даже на заборе. Если не удаётся разместить их на имеющихся сооружениях, для установки выбирают поворотные стенды, позволяющие использовать солнечные лучи с максимальной эффективностью. Стоимость стенда, изготовленного фабричным способом, составляет 50-70 тыс. руб., но можно сэкономить, уменьшив количество панелей, цена которых составляет по 10-20 тыс. руб. и более. Отдача от поворачивающихся панелей увеличивается примерно в 1,6 раза по сравнению с закреплёнными стационарно.

При круглогодичном использовании батарей их выгоднее размещать вертикально. Во-первых, зимой солнце не поднимается высоко над горизонтом и его лучи падают на вертикальную стену под углом, приближенном к прямому. Во-вторых (и это даже важнее), вертикальное расположение позволяет решить проблему очистки панелей от снега. Вообще в странах со снежной зимой не рекомендуется устанавливать батареи под углом наклона к горизонту менее 40°, чтобы на них не скапливался снег. Поэтому на плоской крыше солнечные батареи располагают под наклоном, на соответствующем основании-ферме.