Использование солнечных батарей в быту. Что надо знать про солнечные батареи для дома: их выбор, размещение и использование

В последние годы ученых особенно интересуют альтернативные источники энергии. Нефть и газ рано или поздно закончатся, поэтому подумать о том, как мы будем выживать в этой ситуации, приходится уже сейчас. В Европе активно используются ветряки, кто-то пытается извлечь энергию из океана, а мы поговорим о солнечной энергии. Ведь звезда, которую мы практически каждый день видим в небе, может помочь нам сберечь и улучшить экологическую обстановку. Значение солнца для Земли трудно переоценить - оно дает тепло, свет и позволяет функционировать всему живому на планете. Так почему бы не найти ему еще одно применение?

Немного истории

В середине 19 века физик Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. А к концу столетия Чарльз Фриттс создал первый прибор, способный перерабатывать солнечную энергию в электричество. Для этого использовался селен, покрытый тонким слоем золота. Эффект был слабым, но именно это изобретение зачастую связывают с началом эры солнечной энергии. Некоторые ученые не согласны с такой формулировкой. Они называют родоначальником эры солнечной энергии всемирно известного ученого Альберта Эйнштейна. В 1921 году он получил Нобелевскую премию за объяснение законов внешнего фотоэффекта.

Казалось бы, солнечная энергия - это перспективный путь развития. Но существует немало препятствий для того, чтобы она вошла в каждый дом - в основном, экономических и экологических. Из чего складывается стоимость солнечных батарей, какой вред они могут нанести окружающей среде и какие еще существуют способы получения энергии, узнаем ниже.

Способы накопления

Самой актуальной задачей, связанной с приручением энергии солнца, является не только ее получение, но и аккумуляция. И именно это является самым сложным. В настоящее время учеными было разработано только 3 способа полноценного приручения солнечной энергии.

Первый основан на использовании параболического зеркала и немного напоминает игру с лупой, которая всем знакома с детства. Сквозь линзу свет проходит, собираясь в одной точке. Если в этом месте положить кусочек бумаги, она загорится, поскольку температура скрещенных солнечных лучей невероятно высока. Параболическое зеркало представляет собой вогнутый диск, напоминающий неглубокую чашу. Это зеркало, в отличие от лупы, не пропускает, а отражает солнечный свет, собирая его в одной точке, которая обычно направлена на черную трубу с водой. Такой цвет используют потому, что он лучше всего поглощает свет. Вода в трубе под действие солнечных лучей нагревается и может использоваться для получения электричества или для отопления небольших домов.

Плоский нагреватель

В этом способе используется совсем другая система. Приемник солнечной энергии выглядит как многослойная конструкция. Принцип его работы выглядит так.

Проходя через стекло, лучи попадают на затемненный металл, который, как известно, лучше поглощает свет. Солнечная радиация превращается в и нагревает воду, которая находится под железной пластиной. Далее все происходит как в первом способе. Нагретую воду можно использовали либо для отопления помещений, либо для получения электрической энергии. Правда, эффективность такого метода не настолько высока, чтобы использовать его повсеместно.

Как правило, полученная таким образом солнечная энергия - это тепло. Для получения электричества гораздо чаще используют третий способ.

Солнечные элементы

Больше всего мы знакомы именно с таким способом получения энергии. Он подразумевает использование различных батарей или солнечных панелей, которые можно встретить на крышах многих современных домов. Такой способ сложнее ранее описанных, но является намного более перспективным. Именно он дает возможность преобразования энергии солнца в электричество в промышленных масштабах.

Специальные панели, предназначенные для улавливания лучей, делают из обогащенных кристаллов кремния. Солнечный свет, попадая на них, сбивает электрон с орбиты. На его место тут же стремится другой, таким образом получается непрерывная подвижная цепочка, которая и создает ток. Он при необходимости сразу используется для обеспечения приборов или накапливается в виде электроэнергии в специальных аккумуляторах.

Популярность этого способа обоснована тем, что он позволяет получить более 120 Вт всего с одного квадратного метра солнечной батареи. При этом панели имеют сравнительно небольшую толщину, что позволяет размещать их практически везде.

Типы кремниевых панелей

Существует несколько видов солнечных батарей. Первые выполнены с использованием монокристаллического кремния. Их коэффициент полезного действия составляет примерно 15%. Такие являются наиболее дорогими.

КПД элементов, изготовленных из поликристаллического кремния, достигает 11%. Стоят они меньше, поскольку материал для них получают по упрощенной технологии. Третий тип является наиболее экономичным и отличается минимальным КПД. Это панели из аморфного кремния, то есть некристаллического. Кроме низкой эффективности, они имеют еще один существенный недостаток - недолговечность.

Некоторые производители для увеличения КПД задействуют обе стороны панели солнечной батареи - тыльную и фронтальную. Это позволяет улавливать свет в больших объемах и увеличивает количество получаемой энергии на 15-20%.

Отечественные производители

Солнечная энергия на Земле получает все большее распространение. Даже в нашей стране заинтересованы в изучении этой отрасли. Несмотря на то что в России не очень активно идет развитие альтернативной энергетики, определенных успехов удалось добиться. В настоящее время созданием панелей для получения солнечной энергии занимаются несколько организаций - в основном это научные институты различной направленности и заводы по производству электрооборудования.

НПФ "Кварк".
ОАО «Ковровский механический завод».
Всероссийский НИИ электрификации сельского хозяйства.
НПО машиностроения.
АО ВИЭН.
ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов».
АООТ Правдинский опытный завод источников тока «Позит».

Это только небольшая часть предприятий, принимающих активное участие в развитии альтернативной

Влияние на окружающую среду

Отказ от угольных и нефтяных источников энергии связан не только с тем, что эти ресурсы рано или поздно закончатся. Дело в том, что они сильно вредят окружающей среде - загрязняют почву, воздух и воду, способствуют развитию заболеваний у людей и снижению иммунитета. Именно поэтому альтернативные источники энергии должны быть безопасны с экологической точки зрения.

Кремний, который используется для производства фотоэлементов, сам по себе безопасен, поскольку является природным материалом. Но после его очистки остаются отходы. Именно они могут нанести вред человеку и окружающей среде при неправильном использовании.

Кроме того, на участке, полностью заставленном солнечными батареями, может нарушиться естественное освещение. Это приведет к изменениям в существующей экосистеме. Но в целом влияние на окружающую среду устройств, предназначенных для преобразования солнечной энергии, минимально.

Экономичность

Самые большие затраты по связаны с дороговизной сырья. Как мы уже выяснили, специальные панели создаются с использованием кремния. Несмотря на то что этот минерал широко распространен в природе, с его добычей связаны большие проблемы. Дело в том, что кремний, который составляет более четверти массы земной коры, не подходит для производства солнечных батарей. Для этих целей пригоден только чистейший материал, получаемый промышленным способом. К сожалению, из песка получить чистейший кремний крайне проблематично.

По цене данный ресурс сравним с ураном, использующимся на АЭС. Именно поэтому стоимость солнечных батарей в настоящее время остается на довольно высоком уровне.

Современные технологии

Первые попытки приручить солнечную энергию появились достаточно давно. С тех пор многие ученые активно заняты поисками максимально эффективного оборудования. Оно должно быть не только экономически выгодным, но также компактным. Его КПД должен стремиться к максимуму.

Первые шаги к идеальному прибору для получения и преобразования солнечной энергии были сделаны с изобретением кремниевых батарей. Конечно, цена достаточно высока, но зато панели могут быть размещены на крышах и стенах домов, где они никому не будут мешать. А эффективность таких батарей неоспорима.

Но лучший способ увеличить популярность солнечной энергии - сделать ее более дешевой. Немецкие ученые уже предложили заменить кремний синтетическими волокнами, которые могут быть интегрированы в ткань или другие материалы. КПД такой солнечной батареи не очень высок. Но рубашка с вкраплением синтетических волокон сможет, по крайней мере, обеспечить электроэнергией смартфон или плеер. Активно ведутся работы и в области нанотехнологий. Вероятно, именно они позволят солнцу стать наиболее популярным источником энергии уже в этом столетии. Специалисты компании Scates AS из Норвегии уже заявили, что нанотехнологии позволят сократить стоимость солнечных панелей в 2 раза.

Солнечная энергия для дома

О жилье, которое само себя будет обеспечивать, наверняка мечтают многие: нет зависимости от централизованного отопления, сложностей с оплатой счетов и вреда для окружающей среды. Уже сейчас во многих странах активно строится жилье, потребляющее только энергию, полученную из альтернативных источников. Яркий пример - так называемый солнечный дом.

В процессе строительства он потребует больших вложений, чем традиционный. Но зато после нескольких лет эксплуатации все затраты окупятся - не придется платить за отопление, горячую воду и электричество. В солнечном доме все эти коммуникации привязаны к специальным фотоэлектрическим панелям, размещенным на крыше. Причем полученные таким образом энергетические ресурсы не только расходуются на текущие нужды, но и накапливаются для использования в ночное время и при пасмурной погоде.

В настоящее время строительство таких домов ведется не только в странах, приближенных к экватору, где добывать солнечную энергию проще всего. Их возводят также и в Канаде, Финляндии и Швеции.

Плюсы и минусы

Развитие технологий, позволяющих повсеместно использовать солнечную энергию, могло бы вестись более активно. Но существую определенные причины, по которым это все еще не является приоритетной задачей. Как мы уже говорили выше, при производстве панелей вырабатываются вредные для окружающей среды вещества. Кроме того, готовое оборудование содержит в своем составе галлий, мышьяк, кадмий и свинец.

Немало вопросов вызывает и необходимость утилизации фотоэлектрических панелей. Через 50 лет работы они станут непригодными для службы, и их придется каким-то образом уничтожать. Не нанесет ли это колоссальный вред природе? Стоит также учитывать, что солнечная энергия - это непостоянный ресурс, эффективность получения которого зависит от времени суток и погоды. А это является существенным недостатком.

Но и плюсы, конечно, есть. Солнечную энергию можно добывать практически в любой точке Земли, а оборудование для ее получения и преобразования может быть настолько маленьким, что поместится на тыльной стороне смартфона. Что еще немаловажно, это возобновляемый ресурс, то есть количество солнечной энергии будет оставаться неизменным еще как минимум тысячи лет.

Перспективы

Развитие технологий в области солнечной энергетики должно привести к снижению затрат на создание элементов. Уже сейчас появляются стеклянные панели, которые могут быть установлены на окнах. Развитие нанотехнологий позволило изобрести краску, которая будет напыляться на солнечные батареи и сможет заменить кремниевый слой. Если стоимость солнечной энергии действительно снизится в несколько раз, ее популярность также вырастет многократно.

Создание маленьких панелей для индивидуального применения позволит людям в любых условиях использовать солнечную энергию - дома, в машине или даже за городом. Благодаря их распространению снизится нагрузка на централизованные электросети, поскольку люди смогут самостоятельно зарядить мелкую электронику.

Специалисты компании Shell полагают, что к 2040 году около половины энергии в мире будет создаваться за счет возобновляемых ресурсов. Уже сейчас в Германии потребление солнечной энергии активно растет, а мощность батарей составляет более 35 Гигаватт. Япония также активно развивает эту отрасль. Две эти страны - лидеры потребления солнечной энергии в мире. Вероятно, скоро к ним присоединятся и Соединенные Штаты.

Другие альтернативные источники энергии

Ученые не перестают ломать голову над тем, что еще можно использовать для получения электричества или тепла. Приведем примеры наиболее перспективных альтернативных источников энергии.

Ветряки сейчас можно встретить практически в любой стране. Даже на улицах многих российских городов устанавливают фонари, которые сами обеспечивают себя электричеством за счет энергии ветра. Наверняка их себестоимость выше средней, но зато со временем они эту разницу возместят.

Достаточно давно была придумана технология, позволяющая получать энергию, используя разницу температур воды на поверхности океана и на глубине. Китай активно собирается развивать это направление. В ближайшие годы у берегов Поднебесной собираются построить крупнейшую электростанцию, работающую по этой технологии. Существуют и другие способы использования моря. Например, в Австралии планируют создать электростанцию, генерирующую энергию из силы течений.

Есть и многие другие или тепла. Но на фоне многих других вариантов солнечная энергия - это действительно перспективное направление развития науки.

Оценок 0

Как дополнительный и альтернативный источник энергии, солнечные батареи достаточно активно применяются не только в промышленных, но и бытовых условиях. Но прежде чем установить себе такой источник электроэнергии, покупателю важно узнать, как подобрать оптимальные по характеристикам и мощности солнечные батареи для дома, ведь цена готовых комплектов варьируется в достаточно большом диапазоне. Попробуем разобраться как подбирают солнечные батареи для дома, стоимость комплекта, и что в него входит.

Применение солнечных батарей в условиях средней полосы – здесь тоже возможно использование бесплатной энергии

Где чаще всего используются солнечные батареи

Сфера применения солнечных батарей огромна. Уже сейчас их с успехом используют для электроснабжения частных и многоквартирных домов, хозяйств, в том числе для освещения и обогрева теплиц, построек, освещения придомовой территории, питания приборов.

Чаще всего про автономное электроснабжение задумываются в следующих случаях:

Если местность не электрифицирована, солнечные панели для частного дома обойдутся намного дешевле, чем использование жидкотопливных генераторов.

В сельской местности нередко отключают электричество, и люди буквально остаются без света. Включив автономное электроснабжение, можно жить в привычном комфорте длительное время, тем более, что в комплекте с солнечными панелями всегда идет аккумулятор.

В многоквартирных домах солнечные модули также применяются в качестве резервных, а также существуют проекты, предусматривающие использование солнечной энергии для горячего водоснабжения.

Срок службы солнечных батарей

Как правило, в документах на оборудование, указывается срок годности от 20 до 25 или даже 30 лет. Однако многие устройства продолжают функционировать и по прошествии указанного производителями периода. Например, первая в мире солнечная батарея работает уже свыше 60 лет, а за эти годы технология производства была существенно усовершенствована.

Прототип солнечной батареи был разработан еще в конце XIX века

Явно можно выделить только один недостаток – при постоянной эксплуатации мощность оборудования снижается, тем не менее эти показатели незначительны: за 10 лет не больше чем на 10%.

Предупреждать физические повреждения, такие как падение деревьев, срыв ветром и царапин на чувствительных элементах. От последних зависит эффективность работы устройства.

Регулярно производить уход: обслуживание и очистку.

При необходимости установить ветрозаградительные конструкции.

Солнечные панели для частного дома (готовые комплекты) в систему включают следующие составляющие: аккумуляторные батареи и силовая электроника. Срок службы первых устройств составляет от 2 до 15 лет, вторых – от 5 до 20 лет, в зависимости от характеристик, интенсивности эксплуатации и бережного ухода.

Общие характеристики и доступность приобретения

Оборудование не наносит вреда окружающей среде и обеспечивает стабильное питание без скачков напряжения. И, главное, поставляет бесплатную энергию: за которую не приходят коммунальные счета.

Внешний вид солнечных панелей мало изменился, после их изобретения, чего не скажешь о внутренней «начинке»

Солнечная модуль преобразовывает свет в электрическую энергию, генерируя постоянный ток. Площадь панелей может достигать нескольких метров. Когда необходимо увеличить мощность системы, увеличивают количество модулей. Их эффективность зависит от интенсивности солнечного света и угла падения лучей: от местоположения, сезона, климатических условий и времени суток. Чтобы грамотно учитывать все эти нюансы, монтаж должны выполнять профессионалы.

Виды модулей:

Монокристаллические. Состоят из силиконовых ячеек, преобразующих солнечную энергию. Отличаются компактными размерами. По своей производительности это самая эффективная (эффективность до 22 %) солнечная батарея для дома. Комплект (цена его одна из дорогостоящих) обойдется от 100 тыс. рублей.

Поликристаллические. В них используется поликристаллический кремний. Они не так эффективны (эффективность до 18%), как монокристаллические фотоэлементы. Зато их стоимость существенно ниже, поэтому они доступны широким слоям населения.

Аморфные. Имеют тонкопленочные фотоэлементы на основе кремния. Уступают моно и поликристаллам по выработке энергии, но и стоят дешевле. Их преимуществом является способность функционировать при рассеянном и даже слабом освещении.

На нашем сайте Вы можете найти контакты строительных компаний, которые предлагают . Напрямую пообщаться с представителями можно посетив выставку домов «Малоэтажная Страна».

В систему входят также следующие компоненты:

Инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный.

Аккумуляторная батарея. Она не только накапливает энергию, но и нивелирует перепады напряжения, когда меняется уровень освещенности.

Контроллер зарядного напряжения аккумулятора, режима зарядки, температуры и других параметров.

В магазинах можно приобрести как отдельные компоненты, так и целые системы. При этом мощность устройств определяется исходя из конкретных потребностей.

Функционирование, виды преобразователей и их сравнительная энергоэффективность

Преобразователи или инверторы являются ключевыми компонентами солнечных батарей. Они трансформируют постоянный ток, вырабатываемый модулем в переменный напряжением 220 В, который необходим для работы электрических приборов. Инверторы имеют мощность от 250 до 8000 Вт. При покупке рекомендуют учитывать самую высокую нагрузку на сеть и соотносить напряжение и мощность. Оптимальными считаются параметры: 12 вольт и 600 ватт, 24 Вольт при 600-1500 Ватт, 48 Вольт, если мощность больше 1500 Ватт.

Инвертор, на принципиальной схеме работы солнечных батарей

Разновидности преобразователей

Автономный. Перед тем как выбрать инвертор, надо определить, какие приборы будут от него питаться, и подсчитать их общую максимальную мощность в единицу времени. Рекомендуется взять мощность инвертора несколько больше. Некоторые бытовые электроприборы при включении создают резкое увеличение напряжения, из-за которого устройство может выйти из строя.

Синхронный. Они накапливают энергию, а излишки передают в электрическую сеть. В случае недостатка электричества, выработанного системой, преобразователь «позаимствует» его из общей сети. Применение модели синхронного типа позволит избежать перебоя в энергоснабжении.

Многофункциональные устройства объединили в себе преимущества первого и второго вида.

На видео показано, как выбрать инвертор для частного дома:

На общую стоимость солнечных батарей для частного дома влияют и преобразователи. В зависимости от формы сигнала напряжения на выходе существует несколько видов их видов, которые различаются применением и стоимостью:

С синусоидальным сигналом. Создают ток высокого качества, что сказывается на их стоимости. От них работают крупные бытовые приборы: холодильники, котлы, кондиционеры.

Прямоугольным. К этим недорогим инверторам подключают осветительные приборы. Большинство домашних бытовых приборов с ними несовместимы.

Псевдосинусоидальным. Их преимуществом является возможность подключения практически всей домашней техники. Но качество сигнала снижено по сравнению с первым видом, поэтому они стоят дешевле.

Ребристая форма инвертору нужна для максимально эффективного охлаждения

Стоимость комплекта и основные технические характеристики, срок окупаемости

Цены на готовые комплекты в основном варьируются от 30 000 до 2 000 000 руб. Они зависят от составляющих их устройств (от вида батарей, количества приборов, производителя и характеристик). Можно встретить бюджетные варианты стоимостью от 10 500 руб. В эконом-набор входит панель, контроллер заряда, коннектор.

В стандартные комплекты включают:

энергетический модуль;

контроллер заряда;

аккумулятор;

инвертор;

стеллаж * ;

кабель * ;

клеммы* .

* Предусмотрены в расширенной комплектации.

Стандартный комплект оборудования

Технические характеристики указывают в руководстве к применению:

Мощность и размеры панелей. Чем больше нужна мощность, тем выгоднее покупать батареи больших размеров.

Энергоэффективность системы.

Температурный коэффициент показывает насколько температура влияет на мощность, напряжение и ток.

По подсчетам специалистов, одна солнечная система, рассчитанная на 4 человека, окупается через 4 года. К тому же стоимость за последние 2 десятилетия сильно упала.

Принцип работы солнечной электростанции в домашних условиях

Солнечная электростанция – это система состоящая из панелей, инвертора, аккумулятора и контроллера. Солнечная панель трансформирует лучистую энергию в электричество (как было сказано выше). Постоянный ток попадает в контроллер, который распределяет ток по потребителям (например, компьютер или освещение). Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный и обеспечивает работу большинства электрических бытовых приборов. В аккумуляторе накапливается энергия, которая можно расходовать в темное время суток.

На видео пример расчетов, показывающий, сколько панелей нужно для обеспечения автономного энергоснабжения:

Как солнечная энергия используется для получения тепла

Гелиосистемы применяются для нагревания воды и отопления жилища. Они могут давать тепло (по желанию владельца) даже тогда, когда отопительный сезон закончится, и обеспечивать дом горячей водой бесплатно. Простейшее устройство представляет собой металлические панели, которые устанавливают на крыше дома. Они аккумулируют энергию и согревают воду, которая циркулирует по скрытым под ними трубам. Функционирование всех гелиосистем основано на этом принципе, несмотря на то, что конструктивно они могут отличаться друг от друга.

Солнечные коллекторы состоят из:

бака-аккумулятора;

насосной станции;

контроллера;

трубопроводы;

фиттингов.

По типу конструкции различают плоские и вакуумные коллекторы. У первых дно покрыто теплоизоляционным материалом, а жидкость циркулирует по стеклянным трубам. Вакуумные коллекторы отличаются большой эффективностью, потому что теплопотери в них сведены к минимуму. Этот тип коллектора обеспечивает не только отопление солнечными батареями частного дома – его удобно использовать для систем горячего водоснабжения и подогрева бассейнов.

Этапы монтажа батарей

Для установки панелей выбирается самое освещенное место – чаще всего это крыши и стены зданий. Чтобы устройство функционировало максимально эффективно, панели монтируются под определенным углом к горизонту. Учитывается также уровень затемненности территории: окружающие предметы, которые могут создавать тень (постройки, деревья и т. п.)

Устанавливаются панели при помощи специальных крепежных систем.

Затем модули соединяются с аккумулятором, контроллером и инвертором, и производится наладка всей системы.

Для эффективного функционирования оборудования и продолжительного срока службы необходимым условием является правильно выполненный монтаж, который под силу только опытным специалистам.

Несмотря на сложность подключения и калибровки, срок работ невелик – при наличии соответствующих инструментов, грамотные монтажники затратят на все про все примерно полдня.

Для монтажа системы всегда разрабатывается персональный проект, который учитывает все особенности ситуации: как будет выполняться установка солнечных батарей на крыше дома, цена и сроки. В зависимости от вида и объема работ, все проекты рассчитываются в индивидуальном порядке. Клиент принимает работу и получает на нее гарантию.

Установка солнечных батарей должна производиться профессионалами и с соблюдением мер безопасности

Как итог – перспективы развития солнечных технологий

Если на Земле максимально эффективной работе солнечных батарей мешает воздух, который в известной пере рассеивает излучение Солнца, то в космосе такой проблемы не существует. Учеными ведется разработка проектов гигантских орбитальных спутников с солнечными батареями, которые будут работать 24 часа в сутки. От них энергия будет передаваться на наземные приемные устройства. Но это дело будущего, а для уже существующих батарей усилия направлены на повышение энергоэффективности и уменьшение размеров устройств.

Оценок 0

Принцип действия солнечной батареи заключается в прямом преобразовании света от Солнца в электрический ток. И при этом происходит генерация постоянного тока. Эта энергия может быть использована напрямую разными нагрузками постоянного тока или может запасаться в аккумуляторных батареях для использования в будущем при необходимости. Использование солнечных батарей - отличная бизнес-идея. Но к сожалению, в России солнечная энергетика практически не развита из-за отсутствия политики поддержки в этой области. И поэтому большое количество крыш и других открытых солнцу территорий не приносят электричества и прибыли. Заняться освоением данной сферы - выгодное решение.

В первую очередь, нужно связаться с владельцами и лицами, которые заинтересованы в получении дополнительной прибыли с арендуемых крыш и других подходящих поверхностей.

Хозяевам предоставляется специально разработанный бизнес план с полным расчётом всех расходов на монтаж солнечных батарей и прибыли, получаемой в форме электроэнергии.

В бизнес-плане стоит учитывать также расчёты солнечной активности, скорости ветра, метеорологической ситуации региона. Риск такого бизнеса совсем мал.

Солнечная энергетика будет успешной, потому что зависит только от активности солнца, которого на ближайшие годы уж точно хватит. В будущем можно рассчитывать и на поддержку со стороны государства, потому что солнечная энергетика - эта отрасль будущего. Альтернативные источники энергии пользуются все большей популярностью, они незаменимы в частных домах, на тех объектах, где часто происходят . Надежное, качественное и проверенное временем оборудование даст возможность производить солнечные батареи и расширить возможности и горизонты для своего бизнеса.

Производство солнечных батарей

На сегодня есть несколько основных технологий производства солнечных батарей, которые основаны на применении какого-либо материала при создании пластины. Базируется это на разном поглощении различными материалами солнечного излучения.

Наибольшей популярностью среди используемых материалов пользуются поли- и монокристаллический кремний, CdTe, GaAs, аморфный кремний и другие. В зависимости от выбранного материала используется определенная технология, отличающаяся стадиями производства и комплексом оборудования.

Чаще всего как сырье применяется поли- и монокристаллический кремний. КПД пластин из данного материала колеблется в диапазоне от 12 до 19%. Данные пластины довольно хрупкие, им необходима дополнительная защита, но они намного дешевле, чем пластины из других материалов. Тонкопленочная технология базируется на применении таких материалов: GaAs, аморфный кремний и CdTe. КПД этих пластин тоже не выше 20%, хотя в будущем есть планы повышения его до 22%. В зависимости от подложки, которая используется, эти батареи могут гнуться, герметичны, устойчивы к механическим воздействиям. Но и их стоимость превышает стоимость кремниевых систем.

Сегодня производство солнечных батарей в масштабе промышленности наиболее рентабельно осуществлять по кремниевой технологии, эта технология производства - самая изученная и дающая самый большой выход. Цепочка производства на основе мультикристаллического кремния включает в себя такие стадии:

Подготовка пластины из кремния, очистка и промывка ее после резки;
Структурирование всей поверхности пластины, создание топологии на поверхности, ее травление;
Нанесение фосфора, легирование;
Вжигание, диффузия фосфора;
Создание P-n-перехода, изолирование, удаление лишних слоев;
Нанесение антиотражающего слоя;
Металлизация;
Сушка;
Создание контактов на лицевой стороне пластины;
Выравнивание пластины;
Проверка и тестирование.

Применение солнечных батарей

С недавнего времени солнечные батареи пользуются популярностью во всем мире. Применение солнечных батарей в микроэлектронике: (как зарядное устройство) для обеспечения электричеством аккумуляторов разной бытовой электроники — плееров, калькуляторов, фонариков и других, для подзарядки электромобилей. Например в автомобиле Skoda Superb в одной из комплектаций можно установить солнечную батарею на крышу автомобиля - и тогда в жаркие дни, салон автомобиля будет проветриваться встроенным вентилятором, работающим от этой батареии, пока автомобиль находится на стоянке. Применение солнечных батарей для энергообеспечения зданий - большие батареи работают как , особенно популярны в субтропических и тропических регионах с большим числом солнечных дней.

Пользуются большим спросом в Средиземноморских странах, там их размещают на крышах домов. Очень много применяют солнечные батареи на крышах домов в Турции. Новые здания Испании оборудованы солнечными водонагревателями. Применение солнечных батарей в космосе: является один из главных способов получения электроэнергии на космических аппаратах, они длительное время работают без расхода материалов, и при этом экологически безопасные.

Солнечные батареи в России

В России солнечные батареи уже не новинка, существуют заводы по их производству в Москве, Краснодаре, Зеленограде, Новочебоксарске и Брянске. Их используют как в электронике, так и в быту и других сфера жизнедеятельности. Но они всё ещё слабодоступны из-за высокой стоимости: базовый элемент солнечной батареи - это дорогой монокристаллический кремний, и поэтому цена киловатт-часа этой электроэнергии больше, чем полученной из каких-либо других источников.

Несколько десятков лет назад электричество, преобразованное из солнечной энергии, казалось нам просто фантастикой. Но, сегодня уже никого не удивишь. Жители европейских стран давно поняли все преимущества солнечной энергии, и теперь обогревают свои дома и заряжают электромобили (Tesla).

У нас пока альтернативные системы электроэнергии еще набирают обороты. Однако с каждым днем эта технология стремительно развивается, а стоимость оборудования, необходимого для получения энергии постепенно снижается. В этой статье подробно рассмотрим виды , разберем их преимущества и особенности выбора.

Области применения СБ

Самолет с солнечными батареями Применение солнечных панелей безгранично. Постепенно они применяются практически во всех отраслях промышленности, научно-космической и сельскохозяйственной отраслях. Это касается и применения в домашних условиях.

В специализированных магазинах и крупных супермаркетах можно встретить светильники для , работающие от энергии солнца. Часто их устанавливают хозяева частных домов у себя в саду и на дачных участках. устанавливают на улицах крупных городов, что существенно сокращает потребление обычного электричества.

Прелесть солнечных панелей в том, что они могут нести свет в места, куда еще не дошла цивилизация, а такие места еще существуют. К примеру, в некоторых областях нашей родины существуют отдаленные районы, куда физически невозможно провести электричество. Около 1000 поселков нашей страны, до сих пор остаются без света.

Именно здесь приходят на помощь системы альтернативной энергии. Оптимально подобранная солнечная панель способна обслуживать целый дом, при этом не загрязнять природу.

Установка, стоимостью до 1000$ способна:

освещать частный дом площадью до 300 кв. м.;
питать крупные бытовые приборы (водонагреватель, телевизор, компьютер, чайник, фен);
можно заряжать телефоны, фонарики, ноутбуки, планшеты и др.

Типы

На данный момент насчитывается множество видов солнечных батарей, которые используются в той или иной отрасли.

Каждый вид имеет свои характеристики и эксплуатационные особенности. Для применения в домашнем хозяйстве используются в основном кремниевые солнечные батареи.

Принцип работы кремниевых солнечных батарей:

на кремниевую (кремниево-водородную) панель попадает солнечный свет;
материал пластины изменяет направление орбит электронов, после чего преобразователи дают электрический ток.

Эти устройства можно условно поделить на четыре вида:

Преобразователи из полимерной пленки. Многие пользователи считают, что это перспективная альтернатива сегодняшним панелям из кремния. Это пленка, состоящая из полимерного напыления, алюминиевых проводников и защитного слоя.

Особенность ее в том, что она легкая, удобно гнется, скручивается и не ломается. КПД такой батареи составляет всего 5-7%, однако низкая стоимость и удобное использование делает такой вид солнечной батареи очень популярной.

Совет специалистов: покупайте оборудование только на проверенных ресурсах и в специализированных магазинах. Это сэкономит время, нервы и деньги.

Критерии подбора

При выборе оборудования подобной спецификации необходимо обратить внимание на следующие моменты:

Финансовая сторона вопроса. Все зависит от того, как и при каких условиях будет использована панель. Если для домашнего пользования (повесить в квартире на окно) или для путешествия, то подойдут портативные панели до 50$ на 12В.
Если установка будет более серьезной и устанавливаться на крышу дома, то тут варианты варьируются от 1000$и выше. Все зависит от мощности и страны производителя батареи.
Параметры панели. Перед тем как что-то покупать, необходимо разобраться с техническими характеристиками устройства. Для этого можно обратиться к специалистам, которые помогут выбрать панель нужного типа и мощности.
Мощность. Здесь выбрать будет сложно, так как рынок сейчас завален различными предложениями. В продаже есть панели мощностью от 3.5 Вт для зарядки фонариков, а есть системы до 100 Вт для питания холодильника на дачу. Все зависит от ваших предпочтений.
Комплектация. Фотоэлементы качественной сборке идут в комплектации с водонепроницаемым контейнером, фиксаторами, переходниками для телефонов и другими аксессуарами. Возможно, они понадобятся в дальнейшем.

Преимущества и недостатки

Солнце – это неисчерпаемый источник энергии. Его можно использовать, сжигая деревья или нагревая воду в солнечных нагревателях, преобразуя полученное тепло в электроэнергию. Но есть устройства, превращающие солнечный свет в электричество напрямую. Это солнечные батареи.

Сфера применения

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

Принцип работы

Элементы солнечных батарей представляют собой пластинки из кремния толщиной 0,3 мм. Со стороны, на которую попадает свет, в пластину добавлен бор. Это приводит к появлению избыточного количества свободных электронов. С обратной стороны добавлен фосфор, что приводит к образованию «дырок». Граница между ними называется p-n переход. При попадании света на пластину, он «выбивает» электроны на обратную сторону. Так появляется разность потенциалов. Вне зависимости от размера элемента, одна ячейка развивает напряжение 0,7 В. Для увеличения напряжения, их соединяют последовательно, а для повышения силы тока – параллельно.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

В некоторых конструкциях, для увеличения мощности, над элементами устанавливались линзы или использовалась система зеркал. С уменьшением стоимости батарей такие устройства стали неактуальными.

Максимальный КПД панели, а, следовательно, и мощность, достигается при падении света под углом 90 градусов. В некоторых стационарных устройствах батарея поворачивается вслед за солнцем, но это сильно удорожает и утяжеляет конструкцию.

Принцип работы солнечной батареи

Преимущества и недостатки применения батарей

У солнечных панелей, как и у любых устройств, есть достоинства и недостатки, связанные с принципом действия и особенностями конструкции.

Достоинства солнечных батарей:

Автономность. Позволяют обеспечить электроэнергией удаленные здания или светильники и работу мобильных устройств в походных условиях.
Экономичность. Для выработки электроэнергии используется свет солнца, за который не нужно платить. Поэтому ФЭС (фотоэлектрические системы) окупаются за 10 лет, что меньше срока службы, составляющего более 30. Причем 25–30 лет – это гарантийный срок, а фотоэлектростанция будет работать и после него, принося прибыль владельцу. Конечно, необходимо учесть периодическую замену инверторов и аккумуляторных батарей, но все равно, использование такой электростанции помогает экономить средства.
Экологичность. При работе устройства не загрязняют окружающую среду и не шумят, в отличие от электростанций, работающих на других видах топлива.

Кроме достоинств, у ФЭС есть недостатки:

Высокая цена. Такая система стоит довольно дорого, особенно с учетом цены на аккумуляторные батареи и инверторы.
Большой срок окупаемости. Средства, вложенные в фотоэлектростанцию, окупятся только через 10 лет. Это больше, чем основная масса других вложений.
Фотоэлектрические системы занимают много места – всю крышу и стены здания. Это нарушает дизайн сооружения. Кроме того, аккумуляторные батареи большой емкости занимают целую комнату.
Неравномерность выработки электроэнергии. Мощность устройства зависит от погоды и времени суток. Это компенсируется установкой аккумуляторных батарей или подключением системы к сети. Это позволяет в хорошую погоду днем продавать излишки электроэнергии электрокомпании, а ночью наоборот подключать оборудование к централизованному электроснабжению.

Технические характеристики: на что обратить внимание

Главным параметром фотоэлементной системы является мощность. Напряжение такой установки достигает максимума при ярком свете и зависит от количества соединенных последовательно элементов, которое почти во всех конструкциях равно 36. Мощность зависит от площади одного элемента и количества цепочек по 36 штук, соединенных параллельно.

Кроме самих батарей, важно подобрать контроллер зарядки аккумуляторов и инвертор, преобразующий заряд аккумуляторных батарей в напряжение сети, а также сами панели.

В аккумуляторных батареях есть допустимый ток зарядки, который нельзя превышать, иначе система выйдет из строя. Зная напряжение аккумуляторов, легко определить мощность, необходимую для зарядки. Она должна быть больше мощности солнечной электростанции, иначе в солнечный день часть энергии окажется неиспользованной.

Контроллер обеспечивает заряд аккумуляторов и также должен иметь мощность, позволяющую полностью использовать энергию солнца.

К инвертору подключается оборудование, получающее энергию от ФЭС, поэтому его мощность должна соответствовать суммарной мощности электроприборов.

Виды солнечных батарей

Кроме размера и мощности, панели отличаются способом, которым изготавливаются из кремния отдельные элементы.

Внешний вид моно- и поликристаллических панелей

Элементы из монокристаллического кремния

Элементы солнечных батарей, изготовленные из монокристаллического кремния, имеют форму квадрата с закругленными углами. Это связано с технологией изготовления:

из расплавленного кремния высокой степени очистки выращивается кристалл цилиндрической формы;
после остывания у цилиндра обрезаются края, и основание из круга принимает форму квадрата с закругленными углами;
получившийся брусок разрезается на пластины толщиной 0,3 мм;
в пластины добавляются бор и фосфор и на них наклеиваются контактные полоски;
из готовых элементов собирается ячейка батареи.

Готовая ячейка закрепляется на основании и закрывается стеклом, пропускающим ультрафиолетовые лучи или ламинируется.

Такие устройства отличаются самым высоким КПД и надежностью, поэтому устанавливаются в важных местах, например, в космических аппаратах.

Фотоэлементы из мульти-поликристаллического кремния

Кроме элементов из цельного кристалла, есть устройства, в которых фотоэлементы изготавливаются из поликристаллического кремния. Технология производства похожа. Основное отличие в том, что вместо кристалла круглой формы используется прямоугольный брусок, состоящий из большого количества мелких кристаллов различных форм и размеров. Поэтому элементы получаются прямоугольной или квадратной формы.

В качестве сырья берутся отходы производства микросхем и фотоэлементов. Это удешевляет готовое изделие, но ухудшает его качество. Такие устройства имеют меньший КПД – в среднем 18% против 20–22% у монокристаллических батарей. Однако вопрос выбора достаточно сложный. У разных производителей цена одного киловатт мощности монокристаллических и поликристаллических панелей может быть одинаковой или в пользу любого вида устройств.

Фотоэлементы из аморфного кремния

В последние годы распространение получили гибкие батареи, которые легче жестких. Технология их изготовления отличается от технологии изготовления моно- и поликристаллических панелей – на гибкую основу, обычно стальной лист, напыляются тонкие слои кремния с добавками до достижения необходимой толщины. После этого листы разрезаются, к ним приклеиваются токопроводящие полоски и вся конструкция ламинируется.

Солнечные батареи из аморфного кремния

КПД таких батарей примерно в 2 раза меньше, чем у жестких конструкций, однако, они легче и более прочные за счет того, что их можно сгибать.

Такие приборы дороже обычных, но им нет альтернативы в походных условиях, когда основное значение имеет легкость и надежность. Панели можно нашить на палатку или рюкзак, и заряжать аккумуляторы во время движения. В сложенном виде такие устройства похожи на книгу или свернутый в рулон чертеж, который можно поместить в футляр, напоминающий тубус.

Кроме зарядки мобильных устройств в походе, гибкие панели устанавливаются в электромобилях и электросамолетах. На крыше такие приборы повторяют изгибы черепицы, а если в качестве основы использовать стекло, то оно приобретает вид тонированного и его можно вставить в окно дома или теплицу.

Контроллер заряда для солнечных батарей

У прямого подключения панели к аккумулятору есть недостатки:

Аккумулятор с номинальным напряжением 12 В будет заряжаться только при достижении напряжения на выходе фотоэлементов 14,4 В, что близко к максимальному. Это значит, что часть времени батареи заряжаться не будут.
Максимальное напряжение фотоэлементов – 18 В. При таком напряжении ток заряда аккумуляторов будет слишком большим, и они быстро выйдут из строя.

Для того чтобы избежать этих проблем необходима установка контроллера заряда. Самыми распространенными конструкциями являются ШИМ и МРРТ.

ШИМ-контроллер заряда

Работа ШИМ-контроллера (широтно-импульсная модуляция – англ. pulse-width modulation — PWM) поддерживает постоянное напряжение на выходе. Это обеспечивает максимальную степень заряда аккумулятора и его защиту от перегрева при зарядке.

МРРТ-контроллер заряда

МРРТ-контроллер (Maximum power point tracker – слежение за точкой максимальной мощности) обеспечивает такое значение выходного напряжения и тока, которое позволяет максимально использовать потенциал солнечной батареи вне зависимости от яркости солнечного света. При пониженной яркости света он поднимает выходное напряжение до уровня, необходимого для зарядки аккумуляторов.

Такая система есть во всех современных инверторах и контроллерах зарядки

Виды аккумуляторов, используемых в батареях

Различные виды аккумуляторов, которые можно использовать для солнечной батареи

Аккумуляторы – важный элемент системы круглосуточного электроснабжения дома солнечной энергией.

В таких устройствах используются следующие виды аккумуляторов:

стартерные;
гелевые;
AGM батареи;
заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы.

Аккумуляторы других типов, например, щелочные или литиевые дорогие и используются очень редко.

Все эти виды устройств должны работать при температуре от +15 до +30 градусов.

Стартерные аккумуляторы

Самый распространенный тип аккумуляторов. Они дешевы, но обладают большим током саморазряда. Поэтому через несколько пасмурных дней батареи разрядятся даже при отсутствии нагрузки.

Недостатком таких устройств является то, что при работе происходит газовыделение. Поэтому их необходимо устанавливать в нежилом, хорошо проветриваемом помещении.

Кроме того, срок службы таких аккумуляторов до 1,5 лет, особенно при многократных циклах заряд-разряд. Поэтому в долгосрочной перспективе эти устройства окажутся самыми дорогими.

Гелевые аккумуляторы

Гелевые аккумуляторы –изделия, не требующие обслуживания. При работе отсутствует газовыделение, поэтому их можно устанавливать в жилой комнате и помещении без вентиляции.

Такие устройства обеспечивают большой выходной ток, имеют высокую емкость и низкий ток саморазряда.

Недостаток таких приборов в высокой цене и небольшом сроке службы.

AGM батареи

Эти батареи имеют небольшой срок службы, однако, у них есть много преимуществ:

отсутствие газовыделения при работе;
небольшими размерами;
большим количеством (около 600) циклов заряда-разряда;
быстрым (до 8 часов) зарядом;
хорошей работой при неполном заряде.

AGM батарея изнутри

Заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы

Такие устройства являются самыми надежными и имеют наибольший срок службы. Они обладают низким током саморазряда и высокой энергоемкостью.

Эти качества делают такие приборы наиболее популярными для установки в фотоэлементных системах.

Как определить размер и количество фотоэлементов?

Необходимые размер и количество фотоэлементов зависит от напряжения, силы тока и мощности, которые нужно получить от батареи. Напряжение одного элемента в солнечный день равно 0,5 В. При облачности оно намного ниже. Поэтому для зарядки аккумуляторов 12 В, соединяются последовательно 36 фотоэлементов. Соответственно, для аккумуляторов 24 В необходимо 72 элемента и так далее. Общее их количество зависит от площади одного элемента и необходимой мощности.

Один квадратный метр площади батареи, с учетом КПД, может выдать приблизительно 150 Вт. Точнее можно определить по метеорологическим справочникам, показывающим количество солнечной радиации в месте установки гелиооэлектростанции или в интернете. КПД устройства указан в паспорте.

При изготовлении фотоэлектростации своими руками необходимое количество элементов определяется по мощности одного элемента в данном климате с учетом КПД.

Расчет количества солнечных батарей исходит из необходимого электричества

Эффективность солнечных батарей зимой

Несмотря на то что зимой солнце поднимается ниже, поток света уменьшается незначительно, особенно после выпадения снега.

Основных причин, по которым солнечные элементы зимой менее эффективны три:

Меняется угол падения лучей. Для того чтобы сохранять мощность, угол наклона батареи необходимо менять хотя бы раз в сезон, а лучше каждый месяц.
Снег, особенно влажный, налипает на поверхность устройства. Его необходимо убирать сразу после выпадения.
Зимой меньше продолжительность светлого времени суток, а также больше пасмурных дней. Изменить это невозможно, поэтому приходится рассчитывать мощность батареи по зимнему минимуму.

Правила установки

Максимальная мощность панели достигается в положении, при котором солнечные лучи падают перпендикулярно. Это необходимо учитывать при установке. Важно также учесть, в какое время суток минимальная облачность. Если угол наклона крыши и ее положение не соответствуют требованиям, то оно исправляется регулировкой основания.

Между батареей и крышей должен быть воздушный зазор 15–20 сантиметров. Это необходимо для протекания дождя и предохранения от перегрева.

Фотоэлементы плохо работают в тени, поэтому следует избегать располагать их в тени от зданий и деревьев.

Электростанции из солнечных фотоэлементов – это перспективный экологически чистый источник энергии. Их широкое применение позволит решить проблемы с нехваткой энергии, загрязнением окружающей среды и парниковым эффектом.