СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ – ВИДЫ И ПРИМЕНЕНИЕ

Современная солнечная батарея как альтернативный источник электроэнергии была создана в середине прошлого века. Солнечная батарея – это устройство, которое преобразует энергию солнечного света в постоянный электрический ток.

Здесь работает физический закон фотоэффекта: некоторые вещества под воздействием фотонов (частиц света) начинают вырабатывать электрическую энергию.

На основе этого закона были разработаны компактные полупроводниковые устройства – фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы). Наиболее распространены и доступны фотоэлементы из кремния.

Стандартная комплектация солнечной батареи включает:

• солнечные панели, состоящие из фотоэлектрических элементов-преобразователей;
• инвертор, преобразующий постоянный электрический ток в переменный;
• аккумулятор либо систему аккумуляторов, накапливающих электроэнергию;
• контроллер, обеспечивающий полный заряд аккумулятора и защищающий его от перегорания.

КОМПЛЕКТ ОБОРУДОВАНИЯ

Рассмотрим составляющие фотоэлектрической системы подробнее.

Солнечные панели.

Панели состоят из полупроводниковых кремниевых фотоэлементов, соединительных проводов и корпуса. Входящие в них фотоэлектрические преобразователи бывают двух основных видов:

• монокристаллические, изготовленные из искусственно выращенного кристалла кремния, нарезанного на пластины;
• поликристаллические, полученные из обрезков, оставшихся от монокристаллических элементов, методом длительного охлаждения кремниевого расплава.

Монокристалл имеет однородную структуру поверхности и выглядит как квадрат со срезанными углами. Его КПД выше, чем у поликристалла, и достигает 20-22%, а стоимость дороже примерно на 10%. Лучи света, попадающие на его поверхность, не рассеиваются, а распределяются равномерно, вызывая направленное беспрепятственное движение свободных электронов.

Поликристалл имеет вид плоского квадрата с неоднородной поверхностью и цветовой гаммой, переливающейся синими и голубыми оттенками. Его КПД находится в пределах 17-18%, поскольку он состоит не из чистого кремния, а с примесями, и из разных кристаллов.

Вместе с тем, у поликристаллов есть свои преимущества: у них медленнее снижается мощность по мере увеличения эксплуатационного срока (2% против 3% в первый год работы).

Инвертор.

Это устройство, которое преобразует постоянный электрический ток, вырабатываемый солнечными батареями и равный 12 или 24 вольтам, в переменный ток 220 В, который используется для подключения и работы всех бытовых приборов. КПД инвертора составляет около до 96%, так что 4% - это гарантированные потери.

Аккумулятор.

Аккумуляторы предназначены для перераспределения полученной солнечной энергии, поскольку она поступает неравномерно в течение суток: в полдень возможен ее переизбыток, а ночью выработка прекращается. Аккумулятор накапливает электричество в течение светлого времени суток и отдает его в вечерние и ночные часы.

Их мощности хватает на электропитание одного дома, однако они рассчитаны на эксплуатацию в совершенно иных условиях. Разряд более чем на 30% является для них экстремальным, в то же время они выдают высокий пусковой ток, в чем в данном случае нет никакой необходимости.

В таком режиме, когда в первой половине суток батарея заряжается, а во второй – отдает энергию, автомобильный аккумулятор прослужит не более года, причем его емкость будет уменьшаться, и вероятность внезапной поломки – увеличиваться.

В солнечных батареях используют два типа аккумуляторов, кислотные и гелевые. Последние эффективнее, лучше переносят сильный разряд, но стоят дороже. Батарея не должна разряжаться на 100%, остаточный заряд должен быть не менее 40% (зависит от типа батареи), и чем выше этот процент, тем больше прослужит аккумулятор.

Полностью обеспечить электропитание всех устройств и приборов в доме с помощью современных аккумуляторов невозможно, это выльется в слишком большую сумму. Поэтому к ним не подключают стиральные машины и пылесосы, а только осветительные приборы, холодильники, компьютеры.

Аккумуляторы – самое слабое звено современных систем альтернативного энергоснабжения.

Контроллер.

Этот прибор обеспечивает полную зарядку аккумулятора и защищает его от перезарядки и закипания. Поскольку панели вырабатывают электричество только в световое время суток, а основной пик потребления приходится на вечерние часы, подключать панели к аккумуляторам напрямую нельзя – выйдет из строя и то, и другое.

Существует три типа контроллеров, отличающихся функциональностью и ценой:

1. ON/OFF – самый простой и элементарный, который просто отключает поступление энергии с панели при достижении максимального заряда батареи. Срабатывает при 70% уровне заряда, и батарея быстро выходит из строя. Используется в основном для тестирования системы.
2. ШИМ или PWM – обеспечивает ступенчатую зарядку аккумулятора, переключая режимы заряда, которые выбираются автоматически в зависимости от уровня разрядки аккумулятора. Он заряжается до 100%, однако потери при зарядке составляют до 40%.
3. MPPT – наиболее экономичный и усовершенствованный, работает по вычислительной технологии, сравнивая напряжение, подаваемое с панелей, с напряжением на аккумуляторе и выбирая оптимальное преобразование для получения максимального заряда. Его КПД составляет 93-97%.

СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ ДЛЯ ДОМА

При выборе солнечной батареи для дома нужно сравнить стоимость 1 кВт/час, получаемой от центральной энергосети, и стоимость 1 кВт/час, вырабатываемой панелями. Таким образом определяется целесообразность ее использования и величина экономического эффекта.

Солнечные станции подразделяются на три основные категории:

1. Автономные системы, не подключенные к сети электроснабжения и укомплектованные аккумулирующим устройством, которое, как было описано выше, предоставляет накопленную энергию во время низкой интенсивности и отсутствия солнечного света, а также в случае превышения потребляемой энергии над вырабатываемой.

2. Открытые системы, не имеющие аккумуляторов и подсоединенные к основной сети через специальный инвертор. Если расходуемая мощность ниже вырабатываемой, основная электросеть отключена. В противоположном случае отключается станция, и электропитание поставляет основная сеть. Однако если нет подключения к сети, такая батарея не работает.

3. Комбинированные системы, объединенный вариант первой и второй категории. Они наиболее дорогие, так как требуют сложных сетевых инверторов и зарядных устройств. Их преимущество в том, что накопленная или лишняя электроэнергия может поступать в основную сеть.

Цена фотоэлектрического элемента (главного компонента батареи) минимально приемлемого качества составляет примерно 50-60 руб. за один вырабатываемый ватт мощности. Значит, стоимость системы мощностью в 200 Вт обойдется в 12000 рублей. Комплектация станции будет зависеть от ее категории и требуемой мощности.

Солнечная батарея, укомплектованная самостоятельно и установленная в частном доме, рассчитанном на семью из 4 человек, окупается в среднем в течение 4-5 лет. При этом срок службы аккумуляторов составляет 5-7 лет, а самих фотоэлементов – 20-25 лет.

Чтобы рассчитать требуемую мощность станции, нужно посмотреть, сколько электричества расходуется по факту. Большое значение имеет, используется ли дом как летняя дача или как место постоянного проживания. Для расчета нужно взять среднемесячный расход электроэнергии: для этого нужно суммировать данные квитанций за последний год и разделить на 12.

Полученный результат следует умножить на 16 – это коэффициент, эмпирически рассчитанный для средней полосы России. Например, за год было расходовано 1525 кВт: 1525 / 12 х 16 = 2034 Ватт. Значит, мощность системы должна быть не менее 2100 Ватт/час.

Еще один вопрос – где крепить солнечные панели. Здесь возможны следующие варианты:

• скат крыши, направленный на юг;
• южная стена, свободная от тени деревьев, забора и других объектов;
• свободное размещение – самый оптимальный вариант: в этом случае панели можно разместить во дворе на шарнирах и поворачивать их в течение дня таким образом, чтобы их поверхность находилась под 90% к солнечным лучам.

СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ ДЛЯ ДАЧИ

На дачах вопрос о целесообразности солнечных батарей возникает в следующих случаях:

• отсутствует возможность подключения дачного дома к центральной электросети;
• подключение стоит слишком дорого;
• часто происходят сбои на подстанции;
• выделенная мощность слишком мала и ее не хватает (типичная ситуация для садовых товариществ); есть желание сэкономить.

Хорошим вариантом будет стационарная система первой категории. Можно также использовать локальные установки. Например, солнечная батарея для светодиодного светильника обойдется примерно в 2000 руб. Можно подключить к батарее насос для полива мощностью в 200 Вт – такая система будет стоить примерно в 11000-12000 руб.

Однако станция требует постоянного контроля и наблюдения. Например, контакты, соединяющие провода от панелей с контроллером, нужно периодически зачищать и подключать заново, так они окисляются и начинают плохо проводить заряд.

В результате накапливается меньший запас электричества, и система не справляется с рассчитанной на нее нагрузкой: скорость разряда превышает скорость заряда. Также нужно правильно рассчитать, какие приборы можно включать одновременно, а какие – нет.

Тем не менее, собрать и использовать на даче бюджетную и эффективную автономную солнечную станцию вполне реально. Нужно только хорошо изучить вопрос и периодически проводить диагностику и профилактику.