Новости Планеты

Гелиосистема и солнечные батареи

Солнечная батарея и солнечный (или гелио-) коллектор -две принципиально разные технологии, предназначенные для решения разных задач. Первые преобразовывают солнечную энергию в электрическую, вторые — в тепловую.

Стоит заметить, что эффективность солнечных батарей пока не очень высока — около 15 %. Одна фотоэлектрическая солнечная батарея занимает немного места -1 х 1,5 м. Однако, чтобы выработать 2 кВт энергии, нужно установить 10 таких панелей.

Солнечный же коллектор — это, по сути, циркулятор низкотемпературного теплоносителя, то есть водонагреватель (по аналогии с радиатором). В него входит холодная вода, а выходит горячая, нагретая Солнцем. Ориентировочный КПД коллекторов составляет порядка 70-85 %. В условиях Украины количество энергии, получаемой с 1 м2 коллектора, составляет около 1000 кВтч/год.

Рис 1.Карта солнечной активности в Украине

Рис 2. Карта солнечной активности в России

Точный расчет мощности, эффективности и времени окупаемости системы достаточно сложен и должен учитывать широту местности, число солнечных дней в году, угол отклонения возможного места установки от южного направления и другие факторы. Поэтому приходится оперировать средним значением интенсивности солнечной радиации в расчете на 1 м2 поверхности для конкретной местности.

Рис 3. Зависимость солнечного излучения от погодных условий

Рис 4. Интенсивность излучения в течение года

Рис 5. Тип излучения

Гелиосистема.

Как можно значительно сократить расход любого топлива (газа, электричества и др.) при нагреве горячей воды для дома, бассейна и обеспечения теплом частного жилища? Эту задачу успешно решакл солнечные системы, которые преобразуют лучистую энергию в тепловую.

Главный элемент системы — коллектор. Он поглощает солнечную энергию и преобразовывает ее в высокую температуру теплоносителя. Другие агрегаты — вспомогательные, но их наличие обязательно. Бак-накопитель служит местом теплообмена между теплоносителем и водой из системы горячего водоснабжения. Гидравлический контур состоит из трубопроводов, клапанов, фильтров, расширительных баков, насосного оборудования. Система авторегулировки управляет процессами теплопередачи. Монтажный комплект — это детали крепления бака, коллектора и остальных элементов системы.

Сколько и каких коллекторов нужно?

Не углубляясь в технологические дебри, отметим, что коллекторы бывают плоскими и трубчатыми.
Первые дешевле и менее капризны в обслуживании, вторые — более производительны и многофункциональны, но требуют большего внимания при эксплуатации.

Размер коллектора должен быть таким, чтоб прибор мог обеспечить в среднем 85-95 % горячей воды, используемой в теплом полугодии. Считается, что семье из четырех человек нужен коллектор:

• или плоский, площадью 1-1,5 м2 на человека, то есть 4-6 м2,
• или трубчатый, площадью 0,6-0,8 м2 на человека, то есть 2,4-3,2 м2.

Поверхность коллекторов, призванных обогревать воду в бассейне, должна составлять:

• в случае крытого бассейна — около 40 % площади зеркала воды;
• в случае открытого бассейна -около 70 % площади зеркала воды.

Компании, продающие и устанавливающие солнечные коллекторы, предлагают использовать их не только для нагрева воды, но и для отопления. На самом деле это возможно только для низкотемпературных отопительных систем (например для систем обогрева пола), температура теплоносителя которых не превышает 40 °С. И в данном случае нужны коллекторы значительно большей площади, чем для нагрева воды. Этот вариант достоин внимания, но подходит только людям, готовым к большим затратам. С точки зрения экономичности вложения расходы очень велики по сравнению с прибылью, даже учитывая энергоэффективность.

Отчего зависит эффективность?

Энергозффективность коллекторов напрямую зависит от их типа и правильного расположения. Большое значение имеет и то, к какой стороне света обращено оборудование: наиболее эффективны коллекторы, «смотрящие» в южном направлении. Плоский коллектор может быть отклонен максимум на 15 0 в сторону востока или запада — это снизит его эффективность незначительно. Больший поворот нужно компенсировать увеличением поверхности прибора. Если дом имеет неопределенную ориентацию по сторонам света, лучше использовать трубчатые коллекторы, которые позволяют варьировать положение абсорбера. Для таких установок допускается более широкий диапазон отклонений от юга, чем для плоских: угол наклона абсорбера можно регулировать для каждой трубы индивидуально.

Составляющие гелиосистемы.

Составляющие гелиосистемы: а. Коллектор б.Бак-аккумулятор в. Циркуляционный насос г. Контроллер д. Датчики температуры

При естественной циркуляции теплоносителя бак-теплообменник должен быть расположен выше верхней точки солнечного коллектора. Такое размещение вызывает сложности, особенно при монтаже коллекторов на крыше.

В системах с принудительной циркуляцией ее обеспечивает маломощный насос, работой которого управляет специальный контроллер. Потребляемая мощность насоса небольшая по сравнению с тепловой энергией, вырабатываемой системой.

Используя коллекторы, можно на 10-15 % уменьшить расходы на отопление и до 70 % — на горячее водоснабжение.

Солнечные батареи.

В течение одного часа на Землю попадает столько солнечной энергии, сколько используют все ее жители на протяжении года.

Для обеспечения автономности энергопотребления дома может быть использовано два типа систем:

1. Гибридная или резервная в дополнение к обычной электросети.

2. Замкнутая как образец независимой автономной энергосистемы.

В случае исчезновения напряжения в электросети при применении первой системы обычно используют бензиновые или дизельные генераторы, но по сути это те же неблагоприятные для окружающей среды мини-электростанции, еще и с невысоким КПД преобразования топлива в энергию. В лучшем случае используют альтернативное топливо. Заменой дизелю может служить биогаз, который получают в замкнутой емкости из обычного компоста и отходов животного хозяйства, и древесный газ, который выделятся по принципу пиролиза из древесины и некоторых органических твердых частиц. Эти системы не являются сложными в создании, но, к сожалению, как и остальные достижения альтернативной энергетики, мало распространены.

Как добыть электричество?

Говоря об альтернативном энергообеспечении, рассмотрим полноценную систему, состоящую из источника электроэнергии, контроллера заряда, накопителя и преобразователя (инвертора).

Альтернативные источники энергии — это относительно популярные ветряки и солнечные батареи, далее идут мини-ГЭС, термогенераторы и совсем редко используемые вело-генераторы. Мини-ГЭС мало где можно применить, термогенераторы пока еще дорогие, а велогенераторы вообще серийно не производят.
Контроллером заряда выступает управляющая электронная схема, которая обеспечивает рациональный сбор электроэнергии в накопителе. Последним в 99 % случаев выступает аккумулятор, реже используются ио-нистры, маховики и сжатый воздух, которые редко встречаются из-за сложности конструкции и невысокого КПД сжатого воздуха, хотя эти агрегаты и могут иметь большую цикличность.

Аккумуляторы. В автономных системах популярны кислотные аккумуляторы глубокого разряда, а также их гелевые модификации. Пока аккумуляторы на основе лития являются достаточно дорогими.

Инвертор чаще всего выступает преобразователем постоянного тока аккумулятора или банка соединенных аккумуляторов в переменный ток 220 или 380 В. В основном это -электронные устройства, но очень редко встречаются и механические.

Какая цена солнечных батарей?

Сколько может стоить замкнутая автономная система для гарантированного обеспечения потребностей домика, скажем, площадью в 100 м2? Для такой задачи не стоит выбирать системы мощностью менее 4 кВт. Лучше использовать 6 аккумуляторов на 2 В 1500 А, рассчитанных на 20 лет совместной работы. Такая система сможет давать 20-30 кВт в день в среднем в течение года. В сумме вместе с контроллером заряда и инвертором установка обойдется в 40 000-50 000 долларов… Дорого? Стоп!

На этом этапе 90 % заинтересованных лиц отсеиваются. Они сразу начинают считать, когда такая система окупится. Но ведь покупая новый автомобиль, мало кто считает потенциальную выгоду. Люди расценивают эту покупку как критерий удобства и комфорта, который по финансовым меркам никогда не окупится. А разве с альтернативной энергетикой не так? Так! Но только для экологически сознательных людей.

Доступная цена солнечных батарей.

Сознательным людям свойственно экономить и постоянно искать альтернативу. Например, стоит полностью отказаться от электронагревательных приборов. Тогда потребности в электроэнергии сразу уменьшатся вдвое, а то и втрое. Лучше использовать светодиодные лампы — качественные варианты как минимум вдвое эффективнее ртутных энергосберегающих ламп и как минимум в десять раз эффективнее ламп накаливания. Энергоэффективна техника классов «А+» и «А++». Желательно отказаться от использования климатической техники. Если придерживаться данных советов и использовать альтернативу вышеописанным системам, то можно заметить, что в действительности потребности в электроэнергии совсем мизерные. Так, на дом может хватить 500 Вт от солнечных батарей и 300 Вт от ветряка вместе с двумя-тремя аккумуляторами на 12 В 200 А. Общая стоимость систем составит порядка 3000 у. е. .

Чтобы понять, что такое альтернативная электроэнергия, можно начать с приобретения солнечной батареи хотя бы на 30 Вт и стартерного аккумулятора с дешевым киловаттным инвертором. Можно даже обойтись без контроллера заряда и уложиться в 300 у. е. Получится система, которая сможет обеспечить работу всех мультимедийных бытовых электроприборов и всего малого и среднего электроинструмента.

Дешевые батареи предлагает Китай, изделия украинских производителей считаются более качественными, но только в плане соответствия паспортных характеристик стандартам. В принципе любые системы будут долго и надежно работать, поскольку они статичные, водо- и пылезащищенные и не требуют обслуживания. Также можно попытаться найти по выгодной цене самодельные варианты батарей, которые производят небольшие предприятия.

Распространены батареи на монокристаллах, далее идут поликристаллические с несколько меньшим КПД и пленочные из аморфного кремния с еще более низким КПД и сомнительным преимуществом в цене при больших габаритах.

Составляющие.

В роли аккумуляторов не стоит использовать стартерные батареи, хотя для пробной системы их можно приобрести, учитывая малую стоимость. Лучше всего выбирать из кислотных батарей глубокого разряда, которые имеют больший запас свинца в пластинах, что позволяет им длительное время не разрушаться даже в разряженном состоянии. Гелевые батареи состоят из желеобразного электролита, который еще больше улучшает их свойства. Оптимальным является аккумулятор на 300 А, цена которого составляет от 400 у. е. Возможно, хватит и одной штуки. При больших потребностях составляют целые банки аккумуляторов из 10 или 20 штук на стеллажах. Для больших масштабов используют промышленные гелевые аккумуляторы с напряжением 2 В и емкостью 1500 А и более. Для максимально больших систем применяют индустриальные воздушно-цинковые батареи, которые служат до 50 лет и выдерживают десятки тысяч циклов заряда/разряда. В последнее время они ежегодно дешевеют и, возможно, через 10 лет станут доступны для широкого использования в гражданском строительстве.

Начальная стоимость контроллера заряда — 25 у. е. в зависимости от модели. Далее цена пропорциональна.

Инверторы делятся на синусоидальные и с модифицированной синусоидой. Первые приблизительно вдвое дороже и позволяют запускать абсолютно всю технику в соответствии со своей мощностью. Установки с модифицированной синусоидой будут успешно работать с мультимедийной техникой и большинством электроинструмента.

Что касается выбора инвертора, то дешевая (около 20 у. е) модель на 100 Вт дает возможность использовать ноугбук, заряжать мобильные телефоны и пользоваться мультимедийной техникой. Цена за 1kВт несинусоидального инвертора колеблется от 70 у. е., но он уже дает возможность использовать около 70 % электроприборов. Хотя, к сожалению, он не запустит такие мощные приборы, как холодильник и некоторые насосы.

Сложив все составляющие, получим недорогую, экологичную и автономную систему.

Новости Планеты

Энергия солнца, дающая нам свет, электричество, тепло, быстрыми темпами завоевывает все новые и новые рубежи. Уже никого не удивить различными приборами и устройствами на солнечных батареях, домашними гелиевыми электростанциями, различными светильниками, уличными гирляндами, светофорами, работающими от энергии солнечного света.

И конечно же, логичным направлением применения энергии солнца стало использование ее для отопления, нагрева воды не только в отдельно взятом частном доме, но и в больших домах, в общественных зданиях.

Конечно, солнечные системы не в состоянии обеспечить круглосуточный режим работы для нагрева воды. Но заменить в световой день традиционные ископаемые источники энергии – нефть, газ, уголь – они в состоянии. Поскольку солнечное отопление не требует потребления сырья, то отсутствуют вредные выбросы в атмосферу, нет загрязнения окружающей среды.

Поэтому использование энергии солнца для отопления жилых домов, горячего водоснабжения с каждым годом будет приобретать все большее значение на фоне ожидаемого роста цен на нефть, газ, уголь.

Система солнечного отопления

В простейшем случае солнечная система отопления состоит из одного или нескольких солнечных коллекторов, соединенных в замкнутый контур с арматурой отопления – батареями или трубами, уложенными в полу. При этом батареи или трубы пола должны находиться выше коллекторов.

Тогда вода, нагреваемая в коллекторах, по законам конвекции будет подниматься в отопительные секции, а холодная вода будет опускаться к коллекторам. Батареи или трубы, упрятанные в пол, нагреваются и таким образом без каких-либо дополнительных устройств происходит обогрев помещения.

Простейшая схема солнечного отопления

Энергия солнца, дающая нам свет, электричество, тепло, быстрыми темпами завоевывает все новые и новые рубежи. Уже никого не удивить различными приборами и устройствами на солнечных батареях, домашними гелиевыми электростанциями, различными светильниками, уличными гирляндами, светофорами, работающими от энергии солнечного света.

И конечно же, логичным направлением применения энергии солнца стало использование ее для отопления, нагрева воды не только в отдельно взятом частном доме, но и в больших домах, в общественных зданиях.

Конечно, солнечные системы не в состоянии обеспечить круглосуточный режим работы для нагрева воды. Но заменить в световой день традиционные ископаемые источники энергии – нефть, газ, уголь – они в состоянии. Поскольку солнечное отопление не требует потребления сырья, то отсутствуют вредные выбросы в атмосферу, нет загрязнения окружающей среды.

• Как сделать солнечный коллектор для отопления своими руками?

Поэтому использование энергии солнца для отопления жилых домов, горячего водоснабжения с каждым годом будет приобретать все большее значение на фоне ожидаемого роста цен на нефть, газ, уголь.

Сколько нужно солнечных батарей?

Если вы задаете вопрос, сколько нужно солнечных батарей для отопления частного дома, то выбор объема аккумулятора зависит от потребности в энергии и от числа панелей – от зарядного тока. Если это аккумуляторы AGM, то требуется 10% зарядный ток. Для панели на 90 Вт требуется маленькая емкость аккумулятора 60 А*ч, а самой оптимальной является 100 А*ч. Она накапливает 1,2 кВт *ч при напряжении 12В. Если это системы до 1,5 кВт*ч в день, то лучше применять аккумуляторы и панели на 12В. Устройства, потребляющие больше 3 кВт* ч в день, то лучше использовать солнечный генератор и аккумулятор с напряжением 48В.

Рекомендуем: Какие радиаторы лучше подходят для автономного отопления?

Самыми недорогими считаются автомобильные аккумуляторы, но они созданы для передачи больших токов в течение короткого времени. Эти аккумуляторы не устойчивы к длительным циклам зарядки-разрядки. Особые солнечные аккумуляторы обладают низким порогом чувствительности для работы в циклическом режиме и низким самостоятельным разрядом. Производитель предлагают аккумуляторы с различным временем разрядки.

Выбранный аккумулятор должен держать батарею около 4 суток. Чтобы он прослужил как можно дольше времени, необходимо применять его совместно с качественным зарядным контролером. Контролируется ток заряда, который уменьшается при полностью заряженном аккумуляторе. Получение энергии прерывается при разрядке до критического состояния.

Все технологические новшества и солнечные установки имеют тенденцию устаревания. Ежегодно появляется все больше продуктивных и недорогих солнечных панелей, аккумуляторов и других компонентов. И хозяева домов, стремясь получить еще большую эффективность и больше заработать на зеленом тарифе, меняют их раньше положенного срока. Это приводит к возникновению огромного числа свалок с ненужными панелями и аккумуляторами в Америке и Европе. В России такой проблемы нет, но появляется заманчивая возможность купить такие заграничные устаревшие детали и установки на популярных интернет-площадках.

YouTube responded with an error: The request cannot be completed because you have exceeded your quota.

Похожие записи
• Какие радиаторы для центрального отопления лучшие?
• Как установить отопление на балконе от центрального отопления?
• Какое давление в батареях центрального отопления?
• По каким характеристиками выбирают автономные батареи отопления?
• Можно ли ставить алюминиевые радиаторы на центральное отопление?
• Какова норма температуры воды в батареях центрального отопления?

Система солнечного отопления

В простейшем случае солнечная система отопления состоит из одного или нескольких солнечных коллекторов, соединенных в замкнутый контур с арматурой отопления – батареями или трубами, уложенными в полу. При этом батареи или трубы пола должны находиться выше коллекторов.

Тогда вода, нагреваемая в коллекторах, по законам конвекции будет подниматься в отопительные секции, а холодная вода будет опускаться к коллекторам. Батареи или трубы, упрятанные в пол, нагреваются и таким образом без каких-либо дополнительных устройств происходит обогрев помещения.

Простейшая схема солнечного отопления

Но это именно самая простая схема, поясняющая принцип построения системы. Реально же солнечное отопление дома подразумевает установку значительно более сложной системы. Прежде чем покупать солнечные нагреватели воды или делать их своими руками, нужно определить, какую площадь нужно отапливать, какая система отопления дома наиболее подходит для этих целей.

При этом нужно учитывать, что ни одна из гелиевых систем не сможет обеспечить круглосуточный режим работы. Для обогрева помещений в ночное время придется использовать традиционные средства отопления, работающие на одном из ископаемых энергоносителей.

Типовая схема солнечного отопления и горячего водоснабжения

Для небольшого дома с одной-двумя комнатами может быть использована система воздушного отопления от солнечных коллекторов. В таких установках в качестве теплоносителя используется воздух, который, нагреваясь в системе коллекторов, по воздуховодам поступает в обогреваемое помещение. Охлажденный воздух из этого помещения поступает в коллектор.

Схема солнечного воздушного отопления

• Как изготовить солнечный водонагреватель своими руками

Что касается систем солнечного отопления с жидким теплоносителем, то принципиально все они строятся одинаково. Различие заключается в типе коллекторов, используемых для нагрева теплоносителя.

Стандартный комплект состоит из коллекторов, бака-накопителя с двумя теплообменниками (один соединен с коллекторами, второй – с дополнительным нагревателем). Бак-накопитель должен быть снабжен хорошей теплоизоляцией. Циркуляция теплоносителя и воды в системе отопления поддерживается насосной группой.

Достоинства солнечных батарей

Отопление на солнечных батареях имеет ряд привлекательных преимуществ:

• в течение всего года вы будете обеспечены теплом;
• возможность регулировки температуры в доме;
• полная независимость от жилищно-коммунальных служб. Больше вы не будете с ужасом получать листовки со счетами;
• солнечная энергия – это резерв, который можно применять на разные бытовые потребности;
• длительный срок эксплуатации. Такие установки редко подвергаются поломкам.

Существуют некоторые нюансы, на которые стоит заострить внимание перед покупкой солнечной системы. Солнечная батарея подходит не всем. Качество установки зависит от локации проживания. Если вы живете в Беларуси, где солнце светит не каждый день, то такие системы принесут мало хороших результатов. Еще одним минусом можно назвать высокую стоимость.

Рекомендуем: Какое давление в батареях центрального отопления?

Для обеспечения дома нужным количеством тепла нужно от 15 до 20 квадратных метров площади солнечных батарей. 1 квадратный метр выделяет до 120Вт. Важным условием считается монтаж батарей на южную сторону крыши, так как именно на нее приходится больше всего тепла. Чтобы отопление дома с помощью солнечных батарей было эффективным, угол наклона крыши должен составлять 45 градусов.

Хорошо, если рядом с домом не будут деревья или другие предметы, создающие тень. Стропильная система дачи или коттеджа должна быть максимальной прочной и надежной. Так как солнечные батареи тяжелые, необходимо тщательно продумать, чтобы они не нанесли ущерб зданию и не вызвали разрушительные процессы. Риск обрушения наблюдается зимой, так как в этот период, кроме тяжелых конструкций, будет скапливаться снег.

Несмотря на то, что солнечные установки стоят дорого, они набирают колоссальную популярность среди владельцев загородных домов. Они применяются даже там, где климат не совсем жаркий. Данную установку можно легко использовать в качестве вспомогательного отопления дома. Наиболее эффективны системы летом, когда солнце светит каждый день. Но важно помнить, что дом обогревать нужно в зимой.

Система отопления с плоским коллектором

Конструкция плоского коллектора настолько проста, что он свободно может быть изготовлен своими руками. Это устройство представляет собой короб, внутри которого размещается адсорбер, трубы с теплоносителем, теплоизоляция. Для его изготовления не требуются какие-то особые материалы. Все комплектующие вполне доступны. Это доски, ДВП, деревянные бруски, кровельное железо, пенопласт, медные трубы, каленое стекло, герметизирующие материалы, термостойкая черная краска.

Читайте также: Электрокотлы для дома — трехфазные электродные котлы энергосберегающие , мощностью от 6 кВт — 36 кВт

Такое добротно собранное самодельное устройство способно разогреть теплоноситель в режиме застоя до 150°С. Как правило, в систему заливается вода с добавлением антифриза в такой пропорции, чтобы этот раствор не замерз зимой в ночное время, когда солнечный коллектор не работает.

Промышленный плоский коллектор

Коллектор или батареи коллекторов устанавливаются таким образом, чтобы обеспечить максимальное освещение их солнцем. Как правило, это южная сторона крыши дома. Теплоноситель, циркулирующий в контуре устройства, подается насосом в теплообменник, расположенный в нижней части бака-накопителя. Непрерывно циркулируя в этой системе, теплоноситель нагревает воду в бойлере до 50°С – 60°С, что вполне достаточно для того, чтобы обогревать жилые помещения.

Плоские солнечные коллекторы на крыше отеля и частного дома

Чтобы обеспечить непрерывное поступление тепла в жилые помещения в ночное время, устанавливается система резервного подогрева воды, работающая на традиционных источниках энергии – газе, электричестве, угле, дровах. Теплоноситель, циркулирующий в резервной системе, поступает в теплообменник, расположенный над основным.

• Солнечные бойлеры

Тем самым обеспечивается подогрев воды в бойлере и непрерывный цикл отопления. Если система резервного отопления, работающая на угле и дровах, может быть запущена только вручную, то газовая и электрическая системы могут включаться автоматически, под управлением специального блока управления.

Система отопления с вакуумным коллектором

Эта система отличается от предыдущей только конструкцией коллектора. В этом устройстве для нагрева теплоносителя используются вакуумные трубки. В сущности, эти вакуумные трубки представляют собой модифицированный сосуд Дьюара.

Двойная стеклянная трубка, в которой из межстеночного промежутка откачан воздух. Тем самым обеспечивается надежная теплоизоляция внутренней трубки. Во внутренней трубке находится адсорбер и медная труба, верхний конец которой имеет несколько больший диаметр, чем сама труба, и запаян. Предварительно труба наполняется легкокипящей жидкостью.

Под воздействием солнечного излучения трубка нагревается, жидкость в ней начинает кипеть, пар поднимается в наконечник. Там он отдает свое тепло, возвращается в жидкое состояние и стекает по законам конвекции вниз. Этот процесс продолжается непрерывно, разогревая при этом наконечник до 250°С -280°С. Пятнадцать-двадцать таких трубок монтируются в единую конструкцию – коллектор. Наконечники вставляются в трубу, по которой циркулирует теплоноситель. Теплоноситель разогревается до 60°С — 80°С и подается в теплообменник бойлера.

Схема вакуумной трубки

Сам же вакуумный коллектор устанавливается наклонно, для обеспечения свободной циркуляции жидкости в медных трубках. За исключением коллектора, эта система отопления ничем не отличается от системы на базе плоского коллектора.

Все, что нужно знать о солнечных панелях

Вы хотите сэкономить на электричестве либо иметь дополнительный и независимый источник альтернативной энергии? А может, вы являетесь сторонником зеленой энергетики? Если так, то солнечные панели – тема для вас.

Энергия Солнца, или что такое солнечные панели

Солнце – главный источник энергии для всего живого и самой нашей планеты. Причем количества энергии, поступающей на Землю за каких-то 40 минут, хватает, чтобы удовлетворить энергетические потребности всех жителей земного шара в течение года. Учитывая возобновляемые и практически безграничные ресурсы небесного светила, перспективы его использования велики. Тем более что из всех альтернативных источников энергии именно солнечная признана самой безопасной и экологически чистой. Поэтому сегодня энергия солнца становится все более востребованной в самых разных сферах жизнедеятельности человека.

Воспользоваться этим даром природы людям помогают специальные устройства – солнечные панели (или солнечные батареи). Они преобразуют бесплатную энергию Солнца в электрическую и приобретают возрастающую популярность по всему миру.

Солнечные панели – из истории создания

Идея преобразования бесплатных солнечных лучей в энергию, которая будет работать на благо человека, будоражила людей давно. Так сложилось, что первым решением исторически стали солнечные термальные электростанции или солнечные коллекторы, которые принципиально отличатся от солнечных батарей (о принципе действия коллекторов коротко расскажем ниже). Солнечные же панели стали по факту второй и достаточно удачной попыткой человечества преобразовать энергию солнца в другой вид энергии, которая может использоваться для электроснабжения разного рода жилых, нежилых и хозяйственных обьектов.

И хотя солнечной энергетике не так много лет, ее развитию предшествовал целый ряд открытий и разработок. Но настоящий прорыв в направлении использования энергии света случился в середине 19 века, когда французский ученый Александр Эдмон Беккерель открыл явление фотоэлектрического эффекта. В 1873 году английский инженер-электрик Уиллоуби Смит обнаружил эффект фотопроводимости в селене, а несколькими годами спустя американец Чарльз Фриттс сконструировал первый фотоэлемент, состоящий из тонкого слоя селена, расположенного между пластинками золота и меди, и имевший эффективность всего 1%.

В 1987 году Генрих Герц открыл внешний фотоэффект, а в 1889 году русский Александр Столетов, в экспериментальной установке которого потек электрический ток, рожденный световыми лучами, описал закономерности фотоэффекта. Позднее к этому «приложил руку» и Альберт Эйнштейн. В начале 20 века он объяснил фотоэлектрический эффект на основе квантовой теории, за что впоследствии даже получил Нобелевскую премию. А первые прототипы солнечных панелей были созданы итальянским фотохимиком Джакомо Луиджи Чамичаном. В дальнейшем научные изыскания в области полупроводников привели к синтезированию кремниевых фотоэлементов с КПД 4%. Эта инновация была сделана в 1954 году в лаборатории компании «Bell Telephone». Позднее их эффективность увеличили до 15%, и солнечные батареи были впервые использованы в сельской местности и отдаленных городах как источник питания для системы телефонной связи, где они успешно использовались на протяжении многих лет. Еще через несколько лет в космос были запущены спутники с использованием солнечных батарей. Впоследствии были разработаны и созданы фотоэлементы на основе других полупроводников.

Чем отличаются солнечные панели от солнечных коллекторов

Как мы уже писали выше, солнечные коллекторы человечество придумало раньше, чем солнечные панели. Это совершенно разные устройства, хотя оба преобразуют энергию Солнца и в названии имеют слово «солнечный». На этом, пожалуй, их общность заканчивается. А теперь рассмотрим различия.

Если сказать коротко, то при использовании солнечных коллекторов потребитель «на выходе» получает тепловую энергию в виде нагретого теплоносителя, а солнечные панели предназначены только для генерации электрического тока.

Солнечные панели на крыше

Солнечные панели непосредственно преобразуют энергию солнца в электричество при помощи фотоэлементов (ФЭП – фотоэлектрических преобразователей или солнечных элементов).

Солнечный коллектор – это гелиоустановка, задача которой собирать и передавать тепловое излучение теплоносителю, который циркулирует через коллектор. В свою очередь, теплоноситель нагревает емкость, где находится вода для обеспечения горячего водоснабжения. То есть в отличие от солнечных панелей, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя, а затем накопленная энергия используется для определенных целей (нагрева воды, работы отопительной системы, промывочных работ). Попросту говоря, солнечные коллекторы производят горячую воду.

Вакуумные коллекторы — солнечная водонагревательная система на красной крыше дома.

Принцип работы солнечных панелей

Принцип работы солнечных батарей

Солнечные панели предназначены для преобразования энергии Солнца в электрическую. Их также называют солнечными батареями или солнечными модулями. Солнечная панель представляет собой устройство, состоящее из фотоэлементов, которые как раз и занимаются преобразованием одного вида энергии в другой. Фотоэлементы – это полупроводниковые пластины, напрямую преобразующие солнечное излучение в электрический ток. Между собой фотоэлементы соединяются в параллельные или последовательные электрические цепи, которые в совокупности работают как единый источник электрического тока.

Фотоэлементы изготавливают из разных элементов, но наиболее распространены солнечные элементы на основе кремния. Именно их выпускают в промышленных масштабах. Реже используют кадмий, теллур, селениды меди, аморфный кремний. Еще меньший процент – порядка 10%– составляют тонкопленочные солнечные элементы (например, CdTe).

Если говорить о кремниевых ФЭП, то каждый из элементов представляет собой тонкую пластину, состоящую из двух слоев кремния с собственными физическими свойствами, которые соединены между собой. Поскольку речь идет о полупроводниках, слои должны иметь разную проходимость для того, чтобы свободные электроны беспрепятственно переходили из одного слоя в другой. Ведь полупроводник – это материал, в атомах которого либо не хватает электронов (p-тип), либо есть лишние электроны (n-тип). Как правило, верхний слой – отрицательный (n-слой), он используется в качестве катода, а нижний слой – положительный (p-слой), он представляет собой анод. Излишек электронов из n-слоя может покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Вот как раз солнечные лучи и выступают катализатором такой реакции – «выбивают» электроны из атомов n-слоя, а затем они летят занимать пустые места в p-слой. То есть при попадании на фотоэлемент частиц света (фотонов) из-за неоднородности кристалла между слоями полупроводника образуется вентильная фотоэлектродвижущая сила.

В результате этого возникает разность потенциалов и ток электронов, которые движутся по замкнутому кругу, выходя из p-слоя, проходя через внешнюю нагрузку (в данном случае аккумулятор) и возвращаясь в n-слой. Таким образом, принцип работы солнечной панели напоминает своеобразное колесо, по которому вместо белки «бегают» электроны. При этом аккумулятор постепенно заряжается.

Верхний слой пластинки-фотоэлемента, который обращен к Солнцу, делается из кремния, но с добавлением фосфора. Он и становится источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

Виды пластин фотоэлементов

Виды пластин фотоэлементов

По технологии изготовления кремниевые пластины ФЭП бывают двух видов: монокристаллические и поликристаллические. Монокристаллические выполняются в виде квадрата со скошенными углами, поликристаллические – ровные квадраты. Но форма – не главное их различие.

Монокристаллические ФЭП делают из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. А поликристаллические получают достаточно простым и недорогим методом постепенного охлаждения расплавленного кремния.

Поэтому монокристаллические фотоэлементы имеют однородную структуру и более высокий коэффициент полезного действия (КПД). Однако себестоимость их производства выше, они дороже, чем поликристаллические пластины.

Минусом поликристаллических пластин является их невысокая производительность – не больше 15%. Это связано с их недостаточной чистотой и внутренней структурой. КПД монокристаллического фотоэлемента достигает уже 20-25%.

КПД солнечных панелей

Стандартные фотоэлементы из кремния – однопереходные, то есть переток электронов осуществляется только через один p-n-переход, зона которого ограничена по энергии фотонов. Это означает, что каждый отдельно взятый ФЭП может производить электроэнергию лишь от лучей определенного узкого спектра. Остальная энергия света пропадает впустую. Это и является основной причиной не очень высокой эффективности фотоэлементов.

КПД солнечных панелей сегодня пытаются повысить разными способами. К примеру, одно из решений – каскадные (многопереходные) кремниевые элементы. Каждый из таких ФЭП имеет несколько переходов и рассчитан на определенный спектр солнечных лучей. В сумме эффективность преобразования лучей света в электрический ток увеличивается, а с ним и производительность панели в целом. Однако цена таких элементов выше, чем однопереходных. Поэтому в каждом конкретном случае потребитель должен решать дилемму, что ему важнее – цена или энергоэффективность.

Обычно число фотоэлементов в одной солнечной панели кратно 12, а номинальная мощность одного такого устройства составляет от 30 до 350 Вт. Наиболее низким КПД, от 5% до 10%, обладают аморфные, органические и фотохимические ФЭП. Такая панель площадью 1м 2 будет вырабатывать от 25 до 50 Вт/ч электроэнергии. КПД самых распространенных сегодня кремниевых солнечных батарей составляет 17 – 25%. Это означает, что на 1м 2 площади панели генерируется до 125 Вт/ч. Вообще же, разработчики по всему миру сегодня работают над увеличением КПД до 30%, и такие решения уже есть. Например, солнечные панели на основе арсенида галлия. Именно они способны составить конкуренцию кремниевым панелям, а при площади 1м 2 такая панель даст электроэнергии в объеме 150 Вт/ч.

Что влияет на энергоэффективность солнечных панелей?

Энергоэффективность – важный показатель солнечных панелей. Для примера, один фотоэлемент (одна пластина) способен при солнечной погоде произвести энергию, которой будет достаточно лишь для зарядки карманного фонарика. Поэтому когда речь идет о более серьезных масштабах генерирования электроэнергии, ФЭПы обычно объединяют в цепи (параллельное соединение – для увеличения напряжения, последовательное – для увеличения силы тока). Их количество и структура во многом определяют энергоэффективность панелей. Кроме того, на энергоэффективность гелиопанелей влияет такие факторы:

• мощность светового потока;
• угол падения солнечных лучей;
• правильный подбор сопротивления нагрузки;
• температура окружающего воздуха и самой панели;
• отсутствие или наличие антибликового покрытия элементов.

Например, солнечный элемент и сама панель во время работы постепенно нагреваются. Та часть энергии, которая не пошла на производство электрического тока, трансформируется в тепло. Поэтому часто температура на поверхности панели может достигать значений более 50Сº. Однако чем выше температура поверхности, тем хуже работает фотоэлемент. Это значит, что одна и та же панель в разную погоду работает по-разному: менее эффективно в жару, и более эффективно в холод, а максимальную эффективность показывает в солнечный морозный день.

Преимущества и недостатки солнечных панелей

Как и любое устройство, солнечные панели имеют свои преимущества и недостатки.

Преимущества солнечных панелей

• Неиссякаемость, возобновляемость и всеобщая доступность источника энергии, что важно особенно в условиях истощения других видов природного топлива (нефть, газ, уголь).
• Экологичность. Солнечные электростанции действительно относятся к наиболее экологически чистым видам производства электроэнергии. При работе они не выделяют вредных примесей в воздух, работают бесшумно в сравнении с ветряками. Единственно к чему можно придраться, как и с электрокарами, так это к тому, что при производстве самих панелей, аккумуляторов, электростанций и различных проводников используются токсичные вещества, которые загрязняют окружающую среду.
• Экономичность – солнечные панели дают возможность экономить электроэнергию и, соответственно, деньги. Ведь для выработки электричества применяются солнечные лучи, которые абсолютно бесплатны.
• Износостойкость и большой срок службы. Гарантийный срок обычно составляет 25–30 лет, но фотоэлектростанция не прекратит свою деятельность и после этого периода. Износ происходит очень медленно, особенно если нет подвижных частей.
• Одномоментность переработки солнечной энергии в электрическую.
• Выработка энергии не только в солнечную, но и в пасмурную погоду.
• Возможность автономизации системы энергоснабжения объекта и независимость от централизованного электроснабжения.
• Простота, стабильность, надежность конструкции и ее монтажа.
• Можно нарастить конструкцию, если есть необходимость увеличения мощности системы это легко сделать благодаря модульности солнечных панелей.

Недостатки солнечных панелей

• Высокая стоимость и длительный период окупаемости (до 10 лет).
• Невысокий КПД.
• Низкая энергоэффективность в пасмурную погоду и ночью.
• Неравномерная выработка электричества, которая зависит от освещенности и погоды. Это можно компенсировать, если подключить систему к сети – тогда днем можно будет продавать излишнее электричество электрокомпании, а ночью использовать централизованное электроснабжение.
• Большие размеры. Панели занимают много места – для их установки требуется наличие значительных площадей. Они могут занимать, например, всю крышу и стены строения.
• Сложность использования в регионах с большим количеством осадков, особенно снега.
• Потребность в установке дополнительных устройств для получения переменного тока (солнечные панели производят только постоянный ток) и для накопления энергии (потому что электричество вырабатывается только на протяжении светового дня).

Где применяются солнечные панели

По мере развития технологий, совершенствуется и солнечная энергетика. Гелиопанели становятся дешевле и эффективней, разрабатываются новые инженерные решения, расширяется сфера их сфера применения. Из солнечных панелей создают целые солнечные электростанции (СЭС), которые могут производить электроэнергию в больших масштабах. Поэтому сегодня солнечные панели применяют не только в быту, но также в промышленности, сельском хозяйстве, космической отрасли и дорожном строительстве. Солнечная энергия используется для уличного освещения, электрокаров, электромоторных судов и других видов транспорта, в частных домовладениях, смартфонах и разных гаджетах, в детских игрушках и даже в устройствах для барбекю. Но судя по всему, это далеко не предел, и сферы применения солнечных панелей будут развиваться еще активнее и все больше входить в нашу жизнь.

Источник https://mainstro.ru/geliosistema-i-solnechnye-batarei/

Источник https://okno-pro.ru/kommunikacii/solnechnye-batarei-i-kollektory.html

Источник https://solarpanel.today/sp-vse-chto-nujno-znat/