Альтернативные источники энергии: солнечное электричество


Солнечная электростанция для дома

Альтернативные источники энергии: солнечное электричество

Установить на крыше солнечные фотоэлементы, которые за день зарядят аккумуляторы, а вечером пользоваться дармовой энергией — это путь к полной независимости от государственного электроснабжения, цен на газ и так далее.

Альтернативные источники энергии: солнечное электричество Простейшая схема солнечной станции

Преимуществ у домашней солнечной электростанции предостаточно:

  1. Простота установки и подключения. Не надо строить высокую башню, как для ветровой электростанции, бетонировать фундамент.

  2. Для строительства не нужны большие площади. Многие укладывают светоактивные листы на крышу частного дома.
  3. Простой и нематериалозатратный монтаж сильно сокращает денежные расходы.
  4. Возможно, по мере накопления средств, добавлять к имеющимся панелям новые, увеличивая мощность установки в целом, чего нельзя сделать для ветровой станции.
  5. Отсутствуют вращающиеся части, которые нужно смазывать, подтягивать. Профилактический осмотр солнечных элементов специалисты рекомендуют проводить раз в 1–2 года.
  6. Может эксплуатироваться без капитального ремонта до 25 лет.
  7. Все компоненты электроустановки подвозятся к месту установки в собранном виде.
  8. Солнечные станции бесшумны, безопасны для людей, не мешают птицам. Они самые экологически безопасные среди зелёных технологий.
  1. Ограничено применение в некоторых регионах количеством солнечных дней.
  2. Имеют низкий КПД и слабую мощность, особенно в хмурые зимние дни, по сравнению с другими источниками энергии.

Черные фотоэлектрические панели, photovoltaic PV-элементы, те, которые в диковинку видеть на крышах российских домов, сплошь покрывают любые строения в Японии. А японцы очень практичны и не будут городить то, от чего мало проку. Главная задача — правильно выбрать тип солнечного элемента.

В продаже представлены четыре типа фотоэлектрических элементов:

  • Монокристаллические делают из отполированного листа кремния. Примерно 1 кВт энергии от таких изделий можно получить с площади 7 квадратных метров.

  • Поликристаллические кремниевые менее производительные, чем первые. Чтобы получить 1 кВт уже потребуется занять площадь более 8 кв. метров.
  • Аморфные наиболее экономичны при изготовлении: аморфный кремний наносится тонким слоем на подложку и расходуется гораздо меньше. Эти батареи имеют самую низкую мощность и относительно дешевы.
  • Тонкопленочные имеют наибольший КПД в 25 процентов, по сравнению с показателем 12–17 у первых трёх типов. Могут вырабатывать энергию при слабом освещении, даже зимой в облачную погоду. Производят такие пленки на нескольких американских заводах для промышленного использования. Стоят они очень дорого.

Оптимальным вариантом для южной полосы: Одесса – Ростов на Дону – Астрахань – побережье северное Каспийского моря являются монокристаллические элементы. Можно собрать эффективную солнечную установку мощностью до 500 кВт/час за месяц.

Другие компоненты солнечной электростанции

  1. Инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный. Фотоэлектрические элементы вырабатывают постоянный ток низкого напряжения, а большинство бытовых приборов работает на переменном высоком напряжении.
  2. Аккумуляторы, сохраняющие энергию для ночного времени.
  3. Контроллер – зарядное устройство, не допускающее перезарядки аккумуляторов и защищающее от утечки обратного тока на PV-элементы ночью.
  4. Автоматическое реле, которое при полной разрядке аккумуляторов переключает питание домашних приборов к общей сети.
  5. Электросчетчик, остается для контроля потребленной энергии.

Цена солнечной установки

Покупать солнечную электростанцию под ключ, к примеру, СЭС-5 удобно тем, что специалисты компании-производителя сами всё привезут, соберут, подключат, проверят и гарантию дадут.

Альтернативные источники энергии: солнечное электричество СЭС-5, производитель Термо Технологии, Украина

Стоимость СЭС-5, вместе с монтажом составляет 8250, 9100 долларов. Такая система замечательна тем, что излишки выработанной энергии можно продать в общую сеть по зеленому тарифу. Установка состоит из 25 фотоэлектрических элементов, средней производительностью за месяц – 521 кВт/час. Есть установки равной мощности по цене 15000 долларов. Если в вашем доме все бытовые приборы расходуют за сутки около 10 кВт/час, то этой электростанции вполне достаточно, чтобы всё светилось, крутилось. Кроме отопления, конечно.

Обогрев дома зимой такая электростанция не потянет. Надо увеличить количество солнечных элементов и аккумуляторов как минимум вдвое, соответственно и цена возрастет вдвое.

Если же комплектовать домашнюю электростанцию самостоятельно, то собранная установка обойдется в 8032 доллара. Из расчета, если каждый компонент будет стоить:


  • PV-элементы Yabang Solar YBP 250-60 (250 Вт, 24 В), 20 штук — 4250 долларов;
  • контроллер (зарядное устройство) — 25 долларов;
  • аккумуляторы SIAP PzS 4 APH 420 (2 В, 420 А), 24 шт. — 3624 доллара;
  • инвертор — 69 долларов;
  • автоматическое реле — 33 доллара;
  • электросчетчик — 31 доллар.

Итого: если умудрится самому собрать и подключить солнечную электростанцию для дома, то можно сэкономить лишь 218 долларов.

Фотоэлектрические системы (коллекторы)

Основой фотоэлектрической системы являются солнечные элементы. Отдельно взятый солнечный элемент обычно небольшого размера и производит около 1-2 Ватт электроэнергии. Для увеличения объемов производства электричества солнечные элементы объединяют в более крупные блоки, которые называют модулями. Модули, в свою очередь, объединяют в батареи. Таким образом, можно построить фотоэлектрические системы практически любой требуемой мощности.

Фотоэлектрические системы можно разделить на две основные категории: плоские коллекторы и коллекторы с концентратором.

Модули и батареи, сами по себе, еще не являются фотоэлектрической системой. Для создания полноценной системы необходим каркас модулей и оборудование для конвертации постоянного тока в переменный. Также могут потребоваться аккумуляторы для хранения полученной электроэнергии. Все эти дополнительные компоненты называются компонентами «баланса системы» («balance of system» component – BOS).


Итак, фотоэлектрическая система – это солнечные модули и компоненты «баланса системы». Такие системы могут удовлетворить любые потребности в электроэнергии, будь то питание водяного насоса, освещение дома, или снабжение электроэнергией целого сообщества.

фотоэлектрическая система

Системы с плоскими коллекторами.

Это самый распространенный тип фотоэлектрических систем. Такие системы могут быть фиксированными и подвижными. Эти системы работают как на прямом, так и на рассеянном солнечном свете. Даже при ясной погоде диффузный компонент солнечного света равен 10%-20% от суммарного солнечного излучения на горизонтальной поверхности. При переменной облачности рассеивается до 50% солнечного излучения. А в облачную погоду рассеивается 100% излучения.

Конструкция стандартного плоского коллектора
Конструкция стандартного плоского коллектора


Простейшая солнечная батарея состоит из плоских панелей в фиксированном положении. Преимущество неподвижных солнечных батарей заключается в отсутствии движущихся частей, и относительно небольшом весе. Это позволяет устанавливать такие батареи в различных местах, включая крыши жилых домов. Но из-за неподвижного положения КПД батарей резко падает.

Коллекторы с концентратором.

Первоначальной целью разработки коллекторов с концентраторами было уменьшение числа используемых солнечных элементов, так как именно солнечные элементы являются самой дорогостоящей частью фотоэлектрической системы. В концентраторе используются сравнительно недорогие материалы (пластиковые линзы, металлический корпус) для сбора и фокусировки солнечного излучения на небольшой площади, где размещаются солнечные элементы. Мерой эффективности такого подхода является коэффициент концентрации.

Преимущества коллекторов с концентраторами перед плоскими коллекторами заключаются в следующем.
Системы с концентраторами производят больший объем энергии при меньшем числе используемых солнечных элементов. Дополнительным преимуществом является и то, что продуктивность солнечного элемента увеличивается при концентрированном свете. Степень увеличения КПД напрямую зависит от конструкции солнечного элемента и использованных материалов.

Также в таких системах можно использовать солнечные элементы меньшего размера.


Конструкция стандартного коллектора с концентратором
Конструкция стандартного коллектора с концентратором

Тем не менее, существуют некоторые трудности в применении концентраторов. Концентрирующая оптика стоит намного дороже, чем обычная защитная пленка для плоских коллекторов. Также подавляющее большинство концентрирующих систем должно быть оснащено системой слежения за движением солнца в течение года.

Для концентрации солнечного света использовались как отражатели, так и линзы. Наиболее впечатляющие результаты были получены при использовании линзы Френеля. Эта линза состоит из отдельных примыкающих друг к другу концентрических колец небольшой толщины, которые в сечении имеют форму призм специального профиля. Линзы Френеля бывают кольцевыми и поясными. Первые направляют световой поток в каком-либо одном направлении. Поясные линзы посылают свет от источника по всем направлениям в определённой плоскости. К сожалению, ни одна линза не может пропускать 100% проходящего света. В лучшем случае пропускная способность составляет 90-95%, но на практике эта цифра оказывается еще меньше. К тому же, концентраторы не могут фокусировать рассеянный солнечный свет, который составляет около 20% солнечного излучения в ясный день.

Высокий коэффициент концентрации влечет проблему перегрева. Когда концентрируется избыточное количество излучения, вырабатывается тепло. КПД солнечного элемента при увеличении температуры падает, также высокая температура отрицательно сказывается на долговременной устойчивости элементов. Поэтому необходимо их охлаждать.

Солнечные электростанции — Время возмещения энергетических затрат


Время возмещения энергетических затрат (EPBT) – это период времени использования фотоэлектрической системы, необходимый для производства объема электроэнергии равного объему затраченной энергии на ее производство. Как показали исследования, проведенные в 2004 году, фотоэлектрические системы, установленные на крышах, имеют небольшой срок возмещения энергетических затрат. Значение EPBT зависит от трех факторов:

  • Эффективность преобразования солнечной энергии.
  • Объем света (инсоляция) получаемого системой (в среднегодовой показатель для Южной Европы: 1700 кВтч/м2; для США – 1800 кВтч/м2).
  • Технология производства солнечных элементов системы.

Существует три основных способа производства солнечных элементов. Наиболее распространенным способом является производство элементов из распиленных кремниевых слитков. Слитки могут быть как монокристаллическими, так и мультикристаллическими. Процесс выращивания и распиливания требует внушительных энергетических затрат. Более новая энергосберегающая технология позволяет производить отдельные элементы на основе кремниевых пластин, нарезанных из мультикристаллических лент. Третий способ производства подразумевает нанесение тонких слоев некристаллического кремния на недорогие субстраты. Такой подход является наименее энергоемким и позволяет производить солнечные элементы из аморфного кремния на подложке из нержавеющей стали, теллурида кадмия (CdTe) на подложке из стекла и диселенида галлия-индия-меди (CIGS) на подложке из нержавеющей стали или стекла.


В 2004- начале 2005 г.г. было проведено исследование систем, соединенных с сетью, в которых использованы солнечные элементы различного происхождения. Целью этого исследования было получение значений EPBT (см. таблицу). Из таблицы видно, что энергетические затраты, даже на самый энергоемкий технологический процесс производства, не превышают 10% от общего объема электроэнергии, полученной за срок эксплуатации фотоэлектрической системы.

Таблица. Время возмещения энергетических затрат систем с различными фотоэлектрическими технологиями.

(не включены данные по аморфному кремнию и CIGS)

Инсоляция — 1700 кВтч/м2 в год; коэффициент эффективности системы – 75%

Технология производства кристаллов Время возмещения энергетических затрат (EPBT)1 (годы) Энергия, затраченная на производство системы, в сравнении с объемом производства энергии2 (%) Общий объем произведенной энергии разделенный на объем энергии, затраченная на производство системы2
Монокристаллический кремний 2.7 10.0 10
Неленточный мультикристаллический кремний 2.2 8.1 12
Ленточный мультикрситаллический кремний 1.7 6.3 16
Теллурид кадмия 1.0 3.7 27

1. По данным статьи В. Фтенакиса (V. Fthenakis) и Е. Альсема (E. Alsema) «Время возмещения энергетических затрат фотоэлектрических систем, выбросы парников газов и внешние издержки: состояние на 2004-начало 2005», Прогресс в фотоэлектрике, том 14, №3, параграфы 275-280, 2006 г.

2. 30-летний период эксплуатации с максимальной расчетной мощностью на конец срока эксплуатации — 80%.

Используемые виды солнечных батарей

В современной гелиоэнергетике применяется два основных типа панелей: пленочные и монокристаллические. Отличие в том, что последние достаточно пластичны, но имеют низкий КПД по сравнению с тяжелыми жесткими панелями в металлических рамах.

Современные панели могут превращать в электроэнергию от 15 до 30% мощности светового потока. Продукция с более высокой эффективностью представлена в специальном сегменте рынка. Примечательно, что с ростом эффективности панелей повышается также срок их службы.

Альтернативные источники энергии: солнечное электричество

Последнее — весьма относительный показатель. Срок службы в 30 лет не означает, что по истечении этого срока панели перестанут работать. Производитель просто не гарантирует, что со временем деградация фотоэлементов не превысит 50% от первоначального показателя КПД.

Обслуживание в процессе эксплуатации

Один из главных недостатков панелей в том, что они могут полностью потерять мощность при частичном затенении поверхности. Панели, не вырабатывающие электроэнергию, но остающиеся последовательно соединенными с другими, начинают работать как потребители электричества и сводят к нулю выработку всей цепи. Поэтому основная работа по обслуживанию панелей — очистка их от пыли, разводов и мелкого мусора. Легкие загрязнения с панелей лучше просто сдувать, пятна вроде птичьего помета удаляются только мягкой щеткой с неабразивным моющим средством. После мытья панель необходимо вручную вытереть насухо и отполировать.

Альтернативные источники энергии: солнечное электричество

Было упомянуто, что в процессе эксплуатации батареи могут потерять до половины первоначальной мощности. На деле эти цифры несколько меньше: 15–30%, в зависимости от качества панели и условий эксплуатации. И это нужно учитывать при проектировании системы: рассчитав мощность «впритык» вы рискуете, что через десять лет энергосистема не справится с вашими потребностями. В то же время большинство современных гелиоэнергетических комплексов легко расширяемы, нужно лишь предусмотреть достаточную пропускную мощность управляющих и коммутационных устройств.

Альтернативные источники энергии: солнечное электричество

В конце эксплуатационного срока защитное стекло панелей заново полируют, возвращая 3–5% потерянной мощности, а затем добавляют к парку панелей еще половину ее состава. По истечении следующих 30 лет все повторяется, но теперь новые панели заменяют часть старых. Так номинальная эффективность в процессе всей службы энергоустановки остается стабильной, хоть это и требует своевременных капитальных вложений. Эти данные помогут заинтересованному обывателю иначе взглянуть на вопрос окупаемости своей установки.

Требования к условиям размещения

В месте размещения солнечных панелей должен быть достаточно высокий уровень инсоляции — количества солнечной радиации на конкретном участке местности в течение дня, недели, года. Облачность влияет на эффективность работы в меньшей степени, чем соседние здания, деревья и другие объекты, способные отбрасывать тень.

Альтернативные источники энергии: солнечное электричество

Именно по этим причинам панели традиционно размещают на крышах зданий. Считается, что для энергоснабжения дома общая площадь солнечной фермы должна быть примерно эквивалентна жилой площади. К тому же на крыше панели гарантированно не будут затенены, но для такого размещения требуются средства для подхода и перемещения людей, обслуживающих ферму. Иногда панели на крыше рассматривают как заменитель кровли. Но, во-первых, не все панели для этого пригодны, а во-вторых, это требует основательного подхода к монтажу.

Когда пригодного для монтажа панелей места на крыше недостаточно, часть их собирают на наземных конструкциях. Часто всю ферму спускают на землю для более удобного обслуживания, но это несет ряд негативных факторов:

  • сокращение периода облучения на несколько десятков минут;
  • высокий риск внезапного затенения;
  • невозможность использовать занятую территорию.

Альтернативные источники энергии: солнечное электричество

Зачастую все они нивелируются повышенной эффективностью панелей как следствием их своевременной и регулярной очистки. Что до уровня инсоляции, его можно рассчитать по панорамным фото с точной привязкой к азимуту и GPS-координатам.

Азимутально-угловое отслеживание

Еще одна особенность современных гелиосистем. Технология, предназначенная для тепловых концентраторов, так же хорошо прижилась в фотоэлектрических установках. Суть системы в том, что небольшой механизм корректирует наклон плоскости панели относительно источника излучения. Таким образом, свет почти всегда падает на панель под прямым углом, что повышает суточную генерацию на 15–25%.

Альтернативные источники энергии: солнечное электричество

Есть два типа таких систем. Первый отслеживает реальное положение солнца светочувствительным датчиком и поворачивает панель к нему. Другой имеет встроенную программу, в которой есть точные данные о местоположении солнца в каждый час светового дня на последующие 50–100 лет. Системы второго типа более надежны, хотя их настройка и монтаж не лишены трудностей.

Потенциал расширения системы

Обычно строительство солнечной фермы начинается при необходимости иметь аварийный источник хотя бы минимальной мощности (для питания котельной, сигнализации, ночного освещения). Со временем все меняется, ведется серьезная доработка системы для повышения ее производительности.

Вне зависимости от числа солнечных панелей, приобретайте спецоборудование, мощность которого соответствует вашему общему энергопотреблению. Даже если батареями будет генерироваться в десять раз меньше энергии, в таком режиме оборудование прослужит дольше, а систему можно будет дополнить без вмешательства в основные цепи.

Альтернативные источники энергии: солнечное электричество

Не забывайте также, что общей точкой в системе распределения является аккумуляторный парк. Его емкость всегда рассчитана таким образом, чтобы оставалась возможность сохранить излишки электроэнергии и не дать системе выработать заряд за несколько пасмурных дней.


Использованные источники

  1. lucheeotoplenie.ru/tipy-otopleniya/solnechnoe/solnechnaya-elektrostantsiya-dlya-doma-svoimi-rukami.html
  2. manbw.ru/analitycs/solar_power_stations_details.html
  3. rmnt.ru/story/electrical/alternativnye-istochniki-energii-solnechnoe-elektrichestvo.1064299/
  4. msk.solar-e.ru/catalog/solnechnye-elektrostantsii/mini/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.