Принципы работы солнечных батарей и как они устроены

Монтаж солнечной батареи

Начать изготовление станции нужно с разработки проекта.

На этом этапе учитываются следующие факторы:

— место установки модулей;

— расчёт угла наклона конструкции;

— если предполагается использовать кровлю под установку, просчитать несущую способность кровельного каркаса, стен и фундамента;

— отдельное помещение или уголок в доме под аккумуляторы.

После приобретения необходимого оборудования и фотоэлементов выполняется монтаж.

• Каркас собирается из алюминиевого уголка шириной 35 мм. Объем ячейки должен соответствовать размерам необходимого количества фотоэлементов (835х690 мм).

• В заготовленной раме из алюминия сделать отверстия для метизов.

• Внутреннюю часть уголка обработать герметиком в два слоя.

• В раму уложить лист из оргстекла, поликарбоната, плексигласа или другого материала. Уплотнить соединения рамы и листа путём лёгкого прижима поверхностей по периметру. Оставить на открытом воздухе до полного высыхания.

• Зафиксировать стекло десятью метизами в отверстия, размещённые по углам и сторонам рамки.

• Перед креплением фотоэлементов очистить поверхность от пыли.

• Припаять проводник к плитке, предварительно протерев контакты спиртом и уложив на них флюс. Во время работы с кристаллом нужно избегать давления на него. Хрупкая структура может разрушиться.

• Уложить по всей длине контакта шину и медленно провести по ней горячим паяльником.

• Перевернуть пластины и выполнить пайку аналогичным образом.

• Выложить фотоэлементы на оргстекло в рамке, зафиксировать их с помощью монтажной ленты. Раскладку легче выполнить после разметки. Для крепления рекомендуется использовать силиконовый клей, который наносится точечным способом. Одной капли на плитку достаточно.

• Располагать кристаллы с соблюдением зазора 3-5 мм, чтобы избежать деформирования поверхности при нагревании.

• Выполнить соединение проводников по краям фотоэлементов с общими шинами.

• Специальным прибором протестировать качество пайки.

• Герметизировать панель, нанеся герметик между плитками

Осторожно придавить их пальцами, чтобы края плотно прилегли к стеклу и промазать герметиком края рамки

• С боковой стороны каркаса установить соединительный разъем, к которому подключить диоды Шоттки.

• Закрыть рамку защитным стеклом. Уплотнить все соединения для предотвращения попадания внутрь влаги.

• Лицевую сторону панели обработать лаком.

• Закрепить панель на кровлю или другое место, расположенное на солнечной стороне.

Разновидности солнечных систем

Самый популярный полупроводник для солнечных батарей – кремний. Но его КПД составляет усредненные 20%. В зависимости от мощности выделяют несколько видов солнечных панелей:

• органические фотоэлементы – самые слабые, КФП составляет в среднем 5-7% (при мощности светового потока в 500 Вт выработка энергии будет на уровне 25 Ватт;
• аморфные и фотохимические батареи – обладают немного улучшенными характеристиками по сравнению с предыдущим видом. КФП у них в районе 10-13%, соответственно из полученных 500 ватт энергии в систему пойдет около 50 ватт;
• кремниевые фотоэлементы – обладают гораздо высокими качественными характеристиками. При хорошей погоде в средней полосе номинальная мощность может составлять 125-130 ватт (КПФ 20-25%);
• батареи на основе арсенида галлия – довольно дорогие и сложные в изготовлении батареи с КФП выше 35%. (до 150 Вт электричества с квадратного метра) Используются в космической промышленности.

Если вы планирует установить на участке небольшую солнечную электростанцию, то вам нужны автономные кремниевые батареи. Выделяют два вида:

• Монокристаллические – эффективные и соответственно дорогие. По форме напоминают восьмигранник. За счет однородности дают высокий КФП, но только при прямых солнечных лучах. Плохо воспринимают боковой и рассеянный свет. Пользуются высокой популярностью в теплых странах (Италия, Израиль, Ливия, Алжир, Испания и т.д.)
• Поликристаллические – средняя производительность солнечных батарей такого типа в районе 14-16%. Быстрое изготовление и низкая цена. Большой выбор размеров.

Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте.

Солнечный свет (лучи), попадая на фотоэлектрический слой, полупроводниковых пластин приводит к высвобождению излишних электронов из обоих слоёв (n и p). На место оставшееся после освобождения электронов в одном слое встают освобожденные электроны другого слоя. Таким образом, происходит постоянное передвижение электронов из одного слоя в другой через p-n переход.

В результате этого на внешней цепи начинает появляться напряжение. Слой p становится положительно заряженным, а слой n – отрицательно.

Аккумулятор в ходе этих действий начинает набирать заряд.

Контролёр заряда подключает солнечную батарею, если заряд аккумулятора низкий. И выключает её, в случае, когда аккумулятор заряжен. Также контролер не даёт течь обратному току в то время, когда отсутствует солнце.

Трансформатор прямого тока в переменный необходим для преобразования постоянного тока в переменный с напряжением 220 В. Он бывает двух видов:

• Сетевой тип инверторов. Обеспечивает работу только в дневное время суток и тех приборов, которые присоединены к нему самому;
• Автономный тип. Применяется в устройстве элементов солнечной батареи, с наличием аккумуляторной батареи. Они предназначены для работы систем бесперебойного питания.

Это Интересно! Солнечной энергии, выделяемой за 1 секунду, достаточно для удовлетворения потребностей всего человечества на полмиллиона лет!

Принцип работы солнечной батареи

Устройство предназначено для непосредственного преобразования лучей солнца в электричество. Этот действие называется фотоэлектрическим эффектом. Полупроводники (кремневые пластины), которые используются для изготовления элементов, обладают положительными и отрицательными заряженными электронами и состоят их двух слоев n-слой (-) и р-слой (+).

Излишние электроны под воздействием солнечного света выбиваются из слоев и занимают пустые места в другом слое. Это заставляет свободные электроны постоянно двигаться, переходя из одной пластины в другую вырабатывая электричество, которое накапливается в аккумуляторе.

Технические характеристики

Устройство солнечной батареи состоит из нескольких компонентов:

Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;

Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;

Контроллер уровня заряда аккумулятора.

(Tesla Powerwall – аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт – и домашняя зарядка для электромобилей)

Стоит ли брать солнечные батареи?

Давайте посчитаем вместе. Сама 100 Ваттная панель стоит 5000 руб. Хотя, на Алибабе (отец Алиэкпресса) оптом можно затариться дешевле, хотя и по доставке еще надо будет решать вопрос:

Моя панель выдает 0,1 Киловатт. Допустим у нас солнце светит в среднем в год по 8 часов в день. Получается,  за день панель может производить энергию в количестве 0,1 х 8 = 0,8 Киловатт х часов.

У нас в селе Киловатт в час стоит 2,5 рублей. Стоит ли игра свеч? Я думаю, что нет. По крайней мере у меня в Удмуртии. В южных странах, где солнце «поливает» по 12 часов в день — это будет лучшим решением.

Но теперь давайте рассмотрим другой случай.

Ваш маленький домик находится в глуши. Хватит ли одной такой панели, чтобы поддерживать маломальский комфорт, типа освещения, питания ноутбука, телефона и ловли интернета? Вполне. Думаю, будет даже выгоднее, чем дизель-генератор. Поэтому, в данном случае солнечные батареи будут наилучшим решением.

Устройство гелиобатареи

С каждым годом оборудование для преобразования солнечной энергии в электрическую становится всё доступнее и дешевле. Сегодня существуют не только стационарные панели для обеспечения электроэнергией домов и хозяйственных построек, но и портативные. Они используются туристами для зарядки телефонов, фонариков и других устройств. Солнечные панели устанавливают на электрические автомобили. Также они используются на космических спутниках. Из таких батарей даже начали строить полномасштабные электростанции.

Это интересно: как изготовить солнечный коллектор для дома своими руками.

Строение солнечной батареи подразумевает блок, состоящий из какого-либо количества модулей — полупроводниковых фотоэлементов, соединённых между собой последовательно. Чтобы выяснить принцип работы солнечных панелей, нужно понять действие конечного элемента всего устройства.

Фотоэлемент состоит из двух слоёв кремния, каждый из которых имеет различные физические свойства. Во время попадания солнечных лучей на фотоэлемент между двумя слоями появляется вентильная фото-ЭДС. Из-за этого появляется разность потенциалов и возникает электрический ток. Различаются солнечные батареи по принципу производства на:

• поликристаллические;
• монокристаллические.

У монокристаллических моделей КПД больше, но и стоимость их производства выше по сравнению с поликристаллическими устройствами. Оба вида отличаются между собой по внешним признакам. Монокристаллы имеют однородную структуру. Они представляют собой квадраты, имеющие срезанные углы. У поликристаллов правильная квадратная форма.

Солнечные батареи – удовольствие не из дешевых, однако в будущем они помогут сэкономить вам деньги

Поликристаллические фотоэлементы производят методом плавного остывания расплавленного кремния. Это довольно простая технология, поэтому себестоимость такого материала относительно низкая. Но КПД поликристаллов составляет не больше 15%. Кремниевые пластины, произведённые по такой технологии, получаются неоднородной структуры и с примесями.

Преимущества солнечных батарей

Солнечная энергия — это перспективное направление, которое постоянно развивается. Они имеют несколько основных достоинств. Удобство использования, долгий срок службы, безопасность и доступность.

Положительные стороны применение данной разновидности аккумуляторных батарей:

• Возобновляемость – этот источник энергии практически не имеет ограничений притом бесплатный. По крайней мере на ближайшие 6.5 миллиардов лет. Нужно подобрать оборудование, установить его и использовать по назначению (в частном доме или коттеджном участке).
• Обильность – Поверхность земли в среднем получает около 120 тысяч терравват энергии что в 20 раз превышает нынешнее энергопотребление. Солнечные батареи для коттеджей или частных домов имеют огромный потенциал для использования.
• Постоянство – солнечная энергия постоянна поэтому человечеству не грозит перерасход в процессе ее использования.
• Доступность – солнечная энергия может вырабатывать на любой территории, при наличии естественного света. При этом чаще всего она применяется для отопления жилища.
• Экологическая чистота – солнечная энергетика является перспективной отраслью, которая в будущем заменит электростанции, работающие на невозобновляемых ресурсах: газ, торф, уголь и нефть. Безопасны для здоровья людей и домашних животных.

• При производстве панелей и монтаже солнечных электростанций в атмосферу не происходят значительные выбросы вредных или токсичных веществ.
• Бесшумность – выработка электроэнергии производится практически бесшумно, и поэтому этот вид электростанций лучше ветровых электростанций. Их работа сопровождается постоянным гулом из-за чего оборудование быстро выходит из строя, а сотрудники должны делать частые перерывы на отдых.
• Экономичность – при использовании солнечных батарей владельцы недвижимости ощущают значительное снижение коммунальных расходов на электроэнергию. Панели имеют долгий срок службы – производитель дает гарантию на панели от 20 до 25 лет. При этом обслуживание всей электростанции сводится к периодической (раз в 5-6 месяцев) очистке поверхностей панелей от грязи и пыли

Терминология

Основные термины, используемые в этой сфере:

1. Солнечная энергия – электричество, которое получают от солнца при использовании панелей.
2. Солнечная инсоляция – показывает, сколько солнечного света приходится на квадратный метр поверхности, расположенной перпендикулярно лучам.
3. Фотоэлектрические элементы – модули, способные преобразовывать солнечный свет в электрическую энергию. Обычно вырабатывают от 1 до 2 Вт энергии, но есть и более производительные варианты.
4. Фотогальваническая система – комплект оборудования, преобразовывающий свет солнца в электроэнергию.
5. Солнечные батареи или панели – группа фотоэлектрических элементов, сгруппированных в большой модуль и соединенных последовательным или последовательно-параллельным способом. Обычно в одну батарею входит от 36 до 40 сегментов.
6. Массив – несколько солнечных панелей, соединенных чтобы получить нужное количество тока.
7. Каркасные модули – конструкции в алюминиевом каркасе, прочные и герметичные.
8. Бескаркасные элементы – гибкие варианты, их используют в условиях меньших нагрузок.
9. Киловатт-час (кВт) – стандартный показатель измерения электрической мощности.
10. КПД (эффективность) – солнечных панелей. Показывает, какое количество солнечной энергии, попавшей на поверхность, преобразуется в электричество. Обычно показатель составляет 15-24%.
11. Деградация – уменьшение емкости солнечных батарей, происходящее по естественным причинам. Измеряется в процентах от первоначальных показателей.
12. Пиковые нагрузки – моменты, когда требуется наибольшее количество электроэнергии.
13. Кристаллический кремний – сырье для изготовления солнечных панелей. Самый распространенный и долговечный вариант на сегодня.
14. Аморфный кремний – состав, нанесенный на поверхность методом испарения и закрытый защитным составом.
15. Полупроводники – вещества, которые при определенных условиях могут проводить ток. Сюда относится большинство новых материалов, используемых при производстве солнечных батарей.
16. Инвертор – устройство для преобразования постоянного тока в переменный.
17. Контроллер – регулирует выходное напряжение с солнечных модулей для правильной зарядки аккумуляторов.

Карта инсоляции на территории России.

Это только самые распространенные термины, есть и дополнительные варианты. Но даже знание основ поможет намного лучше разобраться в теме.

Где устанавливают солнечные батареи

Остается перечислить все возможные места, которые отвечают перечисленным условиям, и провести их сравнение по наиболее важным параметрам.

На практике для монтажа панелей используют:

• скаты наклонных крыш;
• плоские кровли;
• все виды навесов;
• свободные участки земли;
• фасады стен;
• балконы и лоджии;
• заборы;
• конструкции с трекерами. 

Разберемся в достоинствах и недостатках каждого варианта.

1. Скаты наклонных крыш

Считаются оптимальным выбором по большинству значимых параметров, если скат направлен близко к южному направлению и обладает углом наклона от 30 до 55 градусов. При бОльших углах расходы несколько увеличатся, поскольку придется использовать корректирующие наклон крепежные конструкции.

Достоинства:

• отсутствие необходимости изыскивать специальное место на участке;
• наличие естественного склонения крыши;
• сравнительно высокая производительность.

Недостатки:

• ограниченная площадь места, где устанавливают солнечные батареи;
• сложности обслуживания при высоте крыши более 5-6 метров;
• невозможность корректировать положение панелей.

2. Плоские кровли

В основном характерны для многоэтажных городских домов. Теоретически могут служить аналогом наземного участка, но с рядом технических ограничений и административными сложностями согласований.

Плюсы:

• возможность размещения солнечных электростанций большой мощности;
• высокая эффективность;
• простой доступ для обслуживания.

Минусы:

• значительная себестоимость;
• многочисленные сложности на этапе согласований и эксплуатации.

3. Все виды навесов

Чаще всего являются дополнением к уже установленным панелям на крыше ввиду ограниченности подходящей площади. Однако в городских условиях широко используются во всем мире для обеспечения автономным питанием рекламных вывесок, освещения остановок транспорта и т.д.

Преимущества:

• максимальная дешевизна монтажа;
• многофункциональность.

Недостатки:

• малая площадь места, где устанавливают солнечные батареи;
• низкая общая производительность.

4. Свободные участки земли

Самый удобный и широкий по возможностям оптимального расположения панелей вариант. При наличии достаточного количества свободного пространства совокупная мощность СЭС может быть практически неограниченной. 

Плюсы:

• возможность выбора любой системы креплений – включая достаточно дорогие поворотные;
• максимальная отдача;
• простота в обслуживании.

Минусы:

необходимость наличия участка достаточно больших размеров.

5. Стенные фасады

Фасадные солнечные батареи в последние годы приобретают все большую популярность. Главным образом из-за своей универсальности, позволяющей размещать их даже в городах, на стенах многоэтажек.

Сильные стороны:

• в частном секторе обходятся недорого и являются наиболее доступными в уходе;
• при условии наклонной установки не менее производительны, чем размещенные на скатных крышах.

Слабые стороны:

на многоэтажных домах обслуживание требует специального оснащения;

зависят от размещения стены относительно солнца.

6. Балконы, лоджии и заборы

Панели на них могут рассматриваться как фасадные солнечные батареи, но расположенные исключительно вертикально (квартирный вариант установки солнечных батарей). Почти не требуют обслуживания, долго служат, но обладают малой эффективностью по причине неоптимального угла наклона к солнцу.

7. Конструкции с трекерами

Вынесены нами в отдельную категорию по причине возможности оснащения поворотными системами практически любой из перечисленных разновидностей. 

К сожалению, из-за высокой себестоимости применение солнечных батарей на трекерах целесообразно лишь для СЭС значительной мощности – от 50 кВт и выше.

В заключение приведем наглядную сравнительную таблицу всех перечисленных модификаций по главному критерию ЦЕНА/ЭФФЕКТИВНОСТЬ (в условных баллах макс. 10, мин. 1)

Особенности эксплуатации

В облачную погоду, когда солнечного света мало, аккумуляторная батарея заряжается не так интенсивно. В то же время она отдает электроэнергию потребителю – работает в режиме зарядки и разряда. Контролирует этот процесс контроллер.

Обслуживание и серьезные профилактические работы батареям не требуются – достаточно время от времени протирать их от пыли.

Панели актуальны и зимой, правда на этот период их производительность падает в 1.5 – 2 раза. Панели ставят под наклоном в 70°, чтобы на них не задерживался снег.

Использование солнечных батарей зимой.

Солнечные батареи – оптимальный выбор для автономных систем, где много потребителей электроэнергии, не работающих в постоянном режиме. Солнечная энергетика, как отрасль, бурно развивается, и есть вероятность, что в будущем энергия солнца станет основной для человека.

Как работают фотоэлементы солнечной батареи

Еще Беккерель доказал, что энергию солнца можно преобразовать в электричество, освещая специальные полупроводники. Позднее эти полупроводники стали называть фотоэлементами. Фотоэлемент представляет собой два слоя полупроводника имеющих разную проводимость. С обеих сторон к этим полупроводникам припаиваются контакты для подключения в цепь. Слой полупроводника с n проводимостью является катодом, а слой с p проводником анодом.

Проводимость n называют электронной проводимостью, а слой p дырочной проводимостью. За счет передвижения «дырок» в p слое во время освещения, создается ток. Состояние атома потерявшего электрон называется «дырка». Таким образом, электрон перемещается по «дыркам» и создается иллюзия движения «дырок».

В действительности «дырки» не передвигаются. Граница соприкосновения проводников с разной проводимостью называется p-n переходом. Создается аналог диода, который выдает разность потенциалов при его освещении. Когда освещается n проводимость, то электроны, получая дополнительную энергию, начинают проникать сквозь барьер p-n перехода.

Число электронов и «дырок» меняется, что приводит к появлению разности потенциала, и при замыкании цепи появляется ток. Величина разности потенциала зависит от размеров фотоэлемента, силы света, температуры. Основной первого фотоэлемента стал кремний. Однако высокую чистоту кремния получить трудно, стоит это недешево.

Когда освещается n проводимость, то электроны, получая дополнительную энергию, начинают проникать сквозь барьер p-n перехода. Число электронов и «дырок» меняется, что приводит к появлению разности потенциала, и при замыкании цепи появляется ток

Поэтому сейчас ищут замену кремнию. В новых разработках кремний заменен на многослойный полимер с высоким КПД до 30%. Но такие солнечные панели дорогие, и пока отсутствуют на рынке. КПД солнечных батарей можно повысить, если устанавливать их на южной стороне и под углом не меньше 30 градусов.

Рекомендуется, солнечные батареи устанавливать на устройство слежения за движением солнца. Это устройство передвигает панели таким образом, чтобы они получали максимально возможное освещение лучами солнца от восхода до заката. При этом КПД солнечных панелей возрастает достаточно сильно.

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

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

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

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

Фотопроводимость кремния

В течение последующих нескольких десятков лет учёные безуспешно пытались добиться более эффективной работы солнечных установок. Препятствовало продвижению вперёд два фактора: необходимость использовать золото и природные физические ограничения селеновых пластин.

В 1940 году специалисты американской лаборатории Белла в ходе опытов обнаружили, что если направить свет на кремниевые образцы, находящиеся в электрической цепи, то измерительные приборы фиксируют изменения тока и напряжения. В дальнейшем этот эффект целенаправленно изучался и в 1950 году Уильям Шокли разработал теоретическую модель p-n перехода, за что был удостоен Нобелевской премии. Это модель и стала базой для дальнейших разработок.

Наконец в 1953 году три сотрудника американской лаборатории Белла сделали заявление об удачном применении в качестве фотоэлементов пластин из кремния. Имена этих учёных:

1. Кэлвин С. Фуллер.
2. Джеральд Л. Пирсон.
3. Дэрил М. Чапин.

Вначале показатель эффективности экспериментальной гелиоустановки составлял 4%, но спустя год поднялся до 6%.

Солнечные элементы в том виде, в котором мы их знаем сегодня, сделаны из кремния, а не селена, поэтому именно эту группу учёных можно считать изобретателями солнечных панелей, хотя и с оговорками. К тому же это был первый пример солнечной технологии, которая могла приводить в действие электрическое устройство в течение нескольких часов в день.

Как работают солнечные батареи

Солнечный свет попадая на элементы солнечных панелей, преобразуется в постоянный электрический ток. Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный ( в привычные нам 220в), а он, попадая в контроллер, отправляется к потребителям (бытовой технике, осветительных устройств). Аккумулятор же выполняет роль буфера между солнечными батареями и инвертером. Мощность инверторов может быть разной: 250-8000 Вт

Главные параметры, на которые следует обращать внимание: напряжение, мощность. Причем нужно не просто изучить характеристики, а соотнести эти параметры друг с другом

Отмечают наиболее подходящие варианты, исходя из напряжения (В) и мощности (Вт):

• 12 В, 600 Вт;
• 24 В, 600-1500 Вт;
• 48 В, от 1500 Вт и выше.

Принцип действия солнечных батарей

Существующие разновидности преобразователей:

1. Автономные. Функционируют без подключения к основной энергосети. При выборе автономных преобразователей учитывают мощность всей подключаемой техники. Дополнительно делают запас, т. к. некоторые устройства при включении создают повышенную нагрузку из-за существенных значений пусковых токов.
2. Синхронные. Модуль подключен к основной энергосети. Он также оснащен аккумуляторной батареей, имеет свойство накапливать энергию. Излишки «сбрасываются» обратно в сеть. При возникновении перебоев (отмечается недостаток электроэнергии), модуль снова получает требуемое количество от основного источника.

Существуют также многофункциональные устройства. Они объединяют возможности первого и второго варианта. Кроме того, различают преобразователи по форме сигнала напряжения:

• синусоида: модули с таким элементами стоят дороже, т. к. обеспечивают более высокое качество тока, появляется возможность подключить крупногабаритную технику;
• прямоугольный: недорогие преобразователи, чаще всего используются для обеспечения питания осветительных приборов, многие виды техники несовместимы с источниками напряжения данной формы;
• псевдосинусоидальный: представители низкой ценовой категории, т. к. качество сигнала ниже, чем в первом случае, они подключаются к любым приборам.

Сфера применения солнечной энергии

Есть три направления использования солнечной энергии:

• Экономия электроэнергии. Солнечные панели позволяют отказаться от централизованного электроснабжения или уменьшить его потребление, а также продавать излишки электричества электроснабжающей компании.
• Обеспечение электроэнергией объектов, подведение к которым линии электропередач невозможно или невыгодно экономически. Это может быть дача или охотничий домик, находящийся далеко от ЛЭП. Такие устройства используются также для питания светильников в отдаленных участках сада или автобусных остановках.
• Питание мобильных и переносных устройств. При походах, поездках на рыбалку и других подобных мероприятиях есть необходимость зарядки телефонов, фотоаппаратов и прочих гаджетов. Для этого также используются солнечные элементы.

Солнечные батареи удобно применять там, куда нельзя подвести электричество

Пример расчета

Исходные данные (произвольно):

• Телевизор мощностью Pа = 100 Вт работает t = 5 часов в сутки и 7 дней в неделю.
• Осветительные приборы общей мощностью Pа = 1000 Вт, t = 6 часов в сутки и 7 дней в неделю.
• Освещенность солнечной панели: T — 5,5 час в сутки (широта Москвы, лето).
• КПД инвертора — 0,9.
• Характеристика одной аккумуляторной батареи: Са — 225 А/ч, Uа — 12 В.
• Уровень разрядки АКБ — 0,7.

При суммарной мощности приборов 1100 Вт среднесуточный расход энергии составит Wн = 45,500 кВтч в неделю или Wс= 6,500 кВтч в сутки. Для точного расчета требуется учитывать вероятность одновременного использования приборов, пиковые и реактивные нагрузки или распределение нагрузки в течение суток.

По суммарной мощности потребителей 1,1 кВт выбираем инвертор мощностью 2 кВт (с перспективой роста и компенсации неучтенных нагрузок). Входное напряжение инвертора Uинв- 24 В.

Полная суточная токовая нагрузка на инвертор в А*ч с учетом КПД инвертора: Wc/КПД*Uинв = 6500/0,9*24 = 297,91 А*ч.

Эта величина важна для определения количества АКБ, тока подзарядки и, в конечном счете, надежности системы.

В нашем случае:

• Токовая нагрузка увеличивается в два раза для обеспечения двухдневного энергоснабжения.
• Учитываем допустимую глубину разрядки батареи 0,7.
• Получаем суммарную токовую нагрузку — 297,91*2*0,7 = 851,19 А*ч.

С учетом характеристики одной аккумуляторной батареи Са = 225 А*ч получаем число блоков батарей на напряжение 24 В (напряжение инвертора) 851,19/225 = 3,78. Округляем до 4-х. Для того чтобы получить Uа (12 В) на одну батарею соединяем в одном блоке две батареи последовательно. Итого получается 4 параллельно соединенных блока, состоящих из двух батарей каждый. Всего 8 аккумуляторов.

В дополнение к нагрузке потребителя необходимо добавить нагрузку, учитывающую подзарядку батарей. Она составляет 10% суммарной мощности аккумуляторного модуля (8*225*12) = 21600 Втч*10% = 216 Втч. Суммарная среднесуточное потребление будет составлять — 6500+216 = 6716 Втч.

Для обеспечения системы энергией солнечная батарея должна за время освещенности (T =5,5 часов) выработать среднесуточную потребность в электроэнергии (6716 Втч). Следовательно, блок из солнечных модулей (с выходным напряжением 24 В и мощностью 200 Вт каждый) должен состоять из 6 модулей (6716/5,5*200 = 6,10).