Принцип преобразования солнечной энергии, её применение и перспективы

Недостатки солнечной энергетики

На сегодняшнем уровне у существующих технологий аккумулирования и преобразования световой, инфракрасной, ультрафиолетовой энергии солнца длительный срок окупаемости. Это не единственный недостаток. Основной проблемой солнечной энергетики остается недостаточное развитие технологии. Утешает то, что отрасль развивается.

Низкий КПД

Максимальный коэффициент полезного действия световых станций любого типа не превышает 30%. При сжигании топлива отдача выше. Поток лучей непостоянен, он прекращается, когда часть планеты входит в теневую область. Потребление энергии в темную часть суток возрастает. Приходится решать проблемы аккумулирования энергии. Со временем КПД фотоэлементов снижается, проводимость полупроводников уменьшается, панели приходится менять.

Большая площадь, занимаемая системой

Для размещения зеркал на гелиостанциях, монтажа батарей требуется пространство, исчисляемое тысячами гектаров. Люди находят выход из положения: размещают панели на вертикальных щитах, крышах строений. В промышленных масштабах такое невозможно, территория станция занимает несколько десятков футбольных полей.

Зависимость работы от погодных условий

На процесс генерации влияет погода. При сильной облачности большая часть лучей рассеивается, не достигая пространства. Жесткие панели страдают от снеговой нагрузки, града. Эффективность снижается, когда на батареях скапливается грязь. Крепежные элементы испытывают воздействие погодных факторов.

Для монтажа панелей может понадобиться услуга специалиста

Плюсы и минусы использования солнечной энергии на производстве

Представителям частного бизнеса также очень выгодно использовать альтернативные источники питания. Учитывая все преимущества и недостатки солнечной энергии, вы получите отличную альтернативу, которая обезопасит вас от появления нежелательных расходов на оплату коммунальных услуг.

Увы, для того, чтобы обеспечить электричеством большое предприятие, и дать возможность работать ему автономно только от солнечных панелей, потребуется большее количество площади, которую можно ими покрыть. Также не стоит забывать, что вливания будут значительно выше, так как площадь и цена изменяются прямо пропорционально друг другу. Это, конечно, явный минус солнечной энергии.

Однако преобразование ее в электрический ток или отопление может обеспечить небольшие участки вашего производства. Очень часто их используют в сельском хозяйстве, а именно в животноводстве. В зимнее время года, а учитывая климат некоторых уголков нашей страны, то и целый год, помещения, где находятся животные, должны отапливаться. Естественно, это требует огромных финансовых вливаний, которые лучше сделать единоразово, установив светоперерабатывающие панели, и дать возможность им отапливать помещение.

Данный вид приборов называется солнечными коллекторами. Они несложные в производстве и использовании, однако не стоит надеяться на себя, и изготавливать их самостоятельно. Исправная работа коллектора предполагает нагревание воды внутри него до 200-280 градусов, а это опасно не только для здоровья, но в некоторых случаях и для жизни человека.

Каким образом изменяется ценовая политика

Ценовая политика приобретения, установки и обслуживания альтернативных источников питания, которые работают от энергии Солнца, падает с каждым днем. Причиной тому становится обыденность и повседневность этих явлений. Все больше людей начинают относиться к этому не как к новинке, а как к данности. Согласитесь, когда-то и электричество в доме было редкостью. Сейчас же человек, который отучился на электрика в бурсе, – не самая престижная профессия.

Берегите энергию!

Нагрузки и энергопотребление

Принудить энергию солнца работать на себя непросто и дорого. Первый шаг — определить для своего хозяйства оптимальную пиковую нагрузку и рациональное среднесуточное энергопотребление. Первый параметр определяют в киловаттах, а второй — в киловатт-часах.

Пик нагрузки приходится на тот момент, когда возникает необходимость включить одновременно несколько единиц домашней техники. Для вычисления мощности, каждую из них суммируют, учитывая высокие пусковые характеристики отдельных ее частей. Владея сведениями о максимуме потребляемой мощности, можно исключить те электроприборы, одновременная работа которых не так уж необходима. От этого показателя зависит выбор мощностных характеристик элементов электростанции, а следовательно, и стоимость ее в целом. Если мощность электроприбора и время, в течение которого он функционирует на протяжении суток, перемножить, узнаем потребность его в электроэнергии на сутки.

Путем сложения суточного электропотребления каждой единицы домашней техники вычисляют общую среднесуточную потребность в электроэнергии. Только при таком подходе можно расходовать солнечное электричество рационально. Полученные итоговые значения нужны и для вычисления емкости аккумуляторов

Стоимость этой важной единицы системы также зависит от итогов вычислений

Как выгодно применять

Учитывая свойство панелей работать лишь в солнечную погоду, необходимо детально изучить рынок солнечных батарей, а именно материал из которого их изготавливают. Поликристаллические панели способны прекрасно генерировать не только прямой солнечный свет, но и рассеянные лучи. А требуемые для действия установок, солнечного излучения облака уже не являются преградой. С целью получения большей эффективности, даже в пасмурную погоду следует выбирать поликристаллические кремниевые батареи.

Однако время и прогресс не стоят на месте и возможно в ближайшем будущем силой мысли будут разработаны батареи, без всяческих недостатков и минусов. И человечество уверенными шагами пойдет в направлении сохранения природы, атмосферы и планеты.

Области деятельности

В современном мире энергия солнца используется в большом количестве самых разнообразных отраслей. Если объект находится достаточно далеко от централизованной электростанции, необходимость в задействовании автономных СЭС возрастает в разы.

Так, например, солнечные панели сегодня применяются для опреснения земли на африканском континенте или для поставок электричества на спутниковые станции. Солнечную энергию уже давно называют «народной» и не просто так. Она очень легко влилась в процесс снабжения энергетикой жилых домов. Подобная разновидность энергетики потребляет в качестве сырья фотоэлементы лучей и их теплопроводность.

На сегодняшний день такого рода технология применяется преимущественно в тех областях страны, где нет никакой возможности подключиться к стационарной электросети. Но стоит признать, что время не стоит на месте и альтернативные источники энергии дешевеют, становятся более перспективными. Ведь растет их коэффициент полезного действия, а также технологические возможности. Кроме того, возникают новые варианты для аккумулирования энергии и ее контролирования.

С большой уверенностью можно заявить, что уже в ближайшем будущем солнечная энергия выйдет на совершенно новый уровень развития. К тому же, применение солнечных электростанций окупается уже в настоящее время.

Домашняя солнечная электростанция

Теперь попытаемся понять, зачем нужна электростанция на солнечных батареях для домашнего пользования.

1. В первую очередь она позволяет решить проблему с поставками электричества.
2. Солнечные батареи обеспечивают независимое снабжение электроэнергией.
3. Смогут служить дополнением к существующим источникам электричества, таким как ветряк или бензиновый (дизельный) генератор.
4. Это своего рода инвестиция. Тарифы на свет постоянно растут, а солнце светит всегда.
5. Можно остатки электричества продавать государству.
6. Для частного дома частично перекрывает традиционное отопление.

Схема электропитания дома от солнца

Система солнечного электроснабжения включает:

1. Гелиопанели.
2. Контроллер.
3. Аккумуляторы.
4. Инвертор (трансформатор).

Контроллер в этой схеме защищает как солнечные батареи, так и АКБ. С одной стороны он препятствует протеканию обратных токов по ночам и в пасмурную погоду, а с другой – защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.

Для трансформации постоянного тока на 12, 24 либо 48 Вольта в переменный 220-вольтовый нужен инвертор. Автомобильные аккумуляторы применять в такой схеме не рекомендуется из-за их неспособности выдерживать частые перезарядки. Лучше всего потратиться и приобрести специальные гелиевые AGM либо заливные OPzS АКБ.

Слабые солнечные электростанции — стоимость комплекта

Комплектов маломощных СЭС в продаже имеется много. Они предназначены для выполнения разных задач, от питания отдельных систем (отопление, водоснабжение), до обеспечения дома с ограниченным числом потребителей. Обычно в расчет берется суммарная потребляющая мощность бытовой техники.

Если рассматривать образцы, предлагаемые в продаже, то это соотношение выполняется практически всегда, хотя имеются исключения. В основном, это касается продукции китайских производителей, чьи комплекты можно приобрести намного дешевле. Российские компании также устанавливают более низкие цены в сравнении с европейскими фирмами, что обусловлено недостаточным качеством аппаратуры.

5 кВт, цены

СЭС мощностью 5 кВт способна обеспечивать маленький домик (например, дачный) в летнее время, т.е. без системы отопления. Имеющиеся комплекты имеют стоимость, зависящую от производителя и особенностей оборудования. Встречаются наборы стоимостью от 130 до 360 тыс. руб., но это средний диапазон. Существуют и более дорогие варианты, имеющие дополнительное оборудование и массу полезных функций.

10 кВт, цены

Солнечная электростанция мощностью 10 кВт способна в полной мере обеспечить энергией дом средних размеров. При этом, отопление следует продублировать дополнительными средствами, например, твердотопливным котлом. Это поможет исключить проблемы в зимнее время из-за сильных морозов. Стоимость комплекта среднего ценового диапазона колеблется в пределах 300-600 тыс. руб.

Распространение солнечных батарей угрожает экологии планеты

Предприятия, производящие СЭС, с уверенностью утверждают, что солнечная панель, вырабатывая электроэнергию, не несет опасности для экологии, однако не афишируют некоторые из особенностей производства фотоэлектрических блоков.

Производство одной СЭС мощностью 1кВт. Потребляет приблизительно 3,9 тыс.кВт./час. электроенергии (годовое потребление энергии квартиры). К тому же солнечные батареи от китайского производителя, собираются на заводах, получающих энергию от ТЭС, что подразумевает дополнительные выбросы вредных веществ в атмосферу.

Основа фотоэлектрического элемента – кремний. Процесс производства заканчивается образованием побочных ядовитых веществ, вредных как для человека так и для окружающей среды. В процессе производства аккумуляторов для СЭС (свинцово-кислотных) также подразумевает применение ядохимикатов (страны Индия и Китай).

Ученые из США, говоря о влиянии СЭС на экологию планеты, называют даже наличие больших объемов воды, что используется при мытье фото панелей. Однако, солнечным панелям в сутки не требуется 15 000 куб. метров воды, а ТЭС небольшой мощности расходует именно такое количество за сутки для системы охлаждения и парообразования.

Обратите внимание, что все эти проблемы носят чисто технический характер и зависят только от каждого государства. И если оно смогло обеспечить полный цикл для переработки, утилизации отходов, то охрана экологии на высоком уровне, а ущерб минимизирован

Остановимся на влиянии энергии, производимой солнечными батареями, на экологическую обстановку.

Температура воздуха в той местности, где расположена СЭС, на 5 С. меньше, чем во всей области. Этот факт также негативно сказывается как на флоре так и на фауне данного региона.

Установка СЭС требует больших площадей, что естественно нарушит экосистему данной местности.

Электростанции своим отраженными солнечными лучами могут даже убивать птиц. Подобное произошло в штате Калифорния, когда запустили СЭС на 320 тыс. зеркал.

Внимание! Подобные ситуации характерны для тех солнечных электростанций, которые расположенных на больших территориях. Солнечные модули, смонтированы на фасадах зданий в городе или в частных хозяйствах, не будут вызывать экологические проблемы

Преимущества автономных СЭС

• Подходят для электрификации любых объектов;
• быстрый монтаж, не нужны разрешения;
• относительная доступность — в некоторых районах подключение к централизованным коммуникациям обойдется значительно дороже, плюс придется платить за израсходованную электроэнергию, солнечная энергия бесплатная;
• отсутствие скачков напряжения, внезапных отключений, которые провоцируют поломку бытовой техники/оборудования;
• стабильная подача электроэнергии — за счет АКБ обеспечивается ее резервирование.

Стоимость солнечной станции зависит от потребностей владельцев. Солнечная станция мощностью 4 кВт в среднем вырабатывает за год 5 МВт*ч. В зимние месяцы средний объем генерируемой энергии составляет 80 кВт, в летний период — до 700 кВт*ч.

Кому пригодятся

Современному человеку трудно обходиться без привычных «благ цивилизации»: бытовой техники, мобильной связи, интернета, но иногда сфера деятельности вынуждает отказываться от привычного комфорта. Геологи, нефтяники, рыбаки, охотники, оленеводы, часто оказываются в ситуациях, когда использование традиционных источников энергии невозможно. В таких случаях портативная солнечная электростанция может стать альтернативным источником электроснабжения. Не обойтись без автономного источника электропитания, если требуется освещение временных сооружений, находящихся на больших расстояниях от линии электропередачи.

Служащие МЧС, имея в своем арсенале такие электростанции, в экстремальных условиях могут быстро развернуть комплекс аварийного электропитания и использовать его в полевых условиях, обеспечивая бесперебойную работу необходимого электрооборудования.

Экологические последствия развития солнечной энергетики

Инновационный подход к развитию энергетики приводит к снижению вредных выбросов в атмосферу от сжигания топлива. За счет применения технологий по преобразованию энергии светила в электрическую снижается энергопотребление коммунальных хозяйств.

Хотя преимущество газообразного, жидкого, твердого топлива неоспоримо, пора задуматься об экологических последствиях. При переходе на энергию СЭС:

• снижается риск техногенных аварий;
• возобновление ресурса происходит без участия человека;
• минимизированы вредные воздействия на экосистему;
• не выделяются парниковые газы, разрушающие озоновый слой;
• для строительства СЭС не требуется менять ландшафт, нет объемных земляных работ по выемке грунта;
• в сравнении со строительством ГРЭС не нарушаются русла рек, территории не подлежат затоплению, не наносится ущерб флоре и фауне.

По затратам разработка новых шельфовых месторождений нефти и газа сопоставима со строительством СЭС.

gigavat.com, bezotxodov.ru, radiolisky.ru, altenergiya.ru, fccland.ru, plusiminusi.ru

Виды

Монокристаллические

Такие батареи визуально выглядят как панели с сегментами глубокого черного цвета. Получили название за счет конструкции на основе монокристаллов кремния.

Самый существенный недостаток — строгая ориентировка оптических осей кристаллов, что требует точного позиционирования панелей для получения максимальной отдачи. По этой же причине монокристаллы не терпят затенения – генерация энергии значительно снижается.

В настоящий момент обладают самым высоким КПД преобразования – около 22%. При этом стоимость тоже наиболее высокая – порядка 0.9-1.1 доллара за 1 Вт генерируемой мощности.

Поликристаллические модули

Название такие батареи получили за счет размещения на подложке множества кремниевых кристаллов с хаотически ориентированными оптическими осями. Визуально такие модули отличаются синим цветом с «морозным» рисунком.

Аморфные

Технология изготовления рабочего тела сходна с поликристаллическими, но в качестве основы выступает аморфный кремний (aSi). При КПД в пределах 8-11% отличаются высокой эффективностью работы в рассеянном свете, могут захватывать и инфракрасный диапазон. В результате обладают лучшей стоимостью – порядка 0.5-0.7 доллара за 1 Вт.

Кроме того, имеют солидное преимущество – гибкую основу. Это означает, что для монтажа не требуется жестких конструкций, материал легко клеится на поверхности любой формы.

Остальные

Модули, предлагаемые производителями, могут быть изготовлены и по другим технологиям:

• Микроморфные, отличаются высокой отдачей при рассеянном и инфракрасном излучении.
• Гибридные, использует несколько полупроводниковых материалов и обеспечивают высокий КПД преобразования (до 44%).
• Полимерные, гибкие с подложкой из полимерных материалов, абсолютные лидеры по стоимости.

Такие предложения следует тщательно изучать, некоторые из них могут оказаться намного выгоднее, чем лидирующие на рынке панели, выполненные по стандартным технологиям.

Вообще, монокристаллические панели можно рекомендовать для установки только жителям южных регионов. Остальным следует выбирать поликристаллы или панели по другим технологиям.

Следует обращать внимание не только на технологию панелей, но и на качество. В маркировке оно отображается как Grade от A (самое высокое) до D. Кроме того, рекомендуется проверить и репутацию производителя, особенно, если он выпускает не собственную, а OEM-продукцию

Сделать это можно на сайтах лабораторий качества – Калифорнийской или Европейской TUV.

Кроме того, рекомендуется проверить и репутацию производителя, особенно, если он выпускает не собственную, а OEM-продукцию. Сделать это можно на сайтах лабораторий качества – Калифорнийской или Европейской TUV.

Жизненный цикл солнечных элементов

Напомним, что минимальный срок эксплуатации солнечной панели равен 25 лет. Производители работают над этом вопросом, планируя этот срок увеличить. Разумеется, одной панели будет недостаточно, поэтому понадобится несколько. Сколько? Зависит от площади, где будет производиться монтаж и от мощности, которую хочет получить будущий владелец. Остановимся на затратах для станции:

• оборудование (вы приобретаете не только солнечные панели, а инвертор, конструкции, кабели);
• комплекс дополнительных мероприятий (документы, интернет, видеонаблюдение, сигнализация, подведение мощности и другие моменты).

Во всех каталогах указана только стоимость фотопанели, а все остальное упущено. Покупатель узнает о дополнительных расходах уже во время приобретения продукта.

Таким образом, небольшая СЭС (30 кВт) окупиться только через 5-6 лет, при собственном потреблении электроэнергии срок увеличивается. Довольно часто проект окупается как к окончанию службы оборудования.

Чтобы выйти на 25% рентабельности, следует уменьшить стоимость самой станции или позаботится, о том, чтобы увеличить ее производительность.

Это важно! На целесообразность установки фотопанелей влияет расположение местности, где будет производиться установка. Логично предположить, что там, где солнца больше, там и выгодно

Главное правильно подобрать

Для домашнего пользования нужна именно та схема солнечной электростанции, которая подходит под конкретный тип задач, поэтому если вы уже точно решили сделать её у себя дома, то не поленитесь и прочитайте дальше.

Электричества на участке нет вообще

Можно реализовать хорошую схему автономной СЭС.

В дневное время модули накапливают электроэнергию. Можно параллельно и заряжать батареи и пользоваться электричеством по дому. Для повседневного применения в цепи применен инвертор (преобразователь) постоянного тока от батарей в переменный для домашних приборов.

В этом варианте необходим контроллер заряда. Тогда вся система будет работать более эффективно. С его помощью отслеживаются точки максимальной мощности. На практике это приводит к накоплению энергии в аккумуляторах даже в режиме недостаточной освещенности.

В этой схеме также применен дизель-генератор для подзарядки аккумуляторов. Зависит от того как собрать схему.

Централизованная сеть подается с перерывами

Возможен вариант, когда в вашем районе есть централизованная подача электричества, но мощностей местных сетей не хватает, и происходят частые долговременные отключения электропитания. Тогда, если необходимо иметь дома свет встает задача собрать солнечную электростанцию, можно применить гибридную СЭС. Она будет дополнять существующую городскую сеть.

В ней повторяется принцип автономной ЭС, но он дополнен гибридным инвертором, настроенным на использование гелиоэнергии. Такие как МАП серии Hybrid и Dominator. Такая установка максимально независима от городской электросети, так как приоритет отдается применению энергии солнца.

Высокий тариф на электроэнергию

Основная задача построения такой схемы, экономить центральную электроэнергию.

Как видно из рисунка из общей системы исключены аккумуляторы. Такой принцип работы быстро окупается за счет экономии сетевого электропитания.

Это основные схемы применения солнечных панелей. Все варианты того как работает солнечная электростанция и с помощью каких решений, могут дополняться другими конструктивными элементами.

Плюсы и минусы

Энергия солнца относится к альтернативным, возобновляемым источникам, ее использование считается прогрессивным способом энергопотребления. Ее преимущества описывают следующим образом:

• Ваши ежемесячные платежи за электроэнергию снижаются (а в идеале исчезают). Степень экономии зависит от размеров установленной системы и объема потребления.
• Если монтаж системы производится на собственном участке, вам не надо получать разрешение на установку оборудования.
• Существует возможность заработать, если вы будете производить электроэнергии столько, что сможете продавать ее государству.
• Затраты на обслуживание остаются весьма низкими.
• Небольшой вес, беспроблемная эксплуатация, отсутствие шума.
• Солнечная энергетика – динамическая отрасль, и эффективность солнечных панелей постоянно повышается. Современные модели могут работать даже при сплошной облачности (выработка при этом снижается).

Люди, скептически относящиеся к установке солнечных батарей, оперируют следующими фактами:

• Панели требуют вложения средств, им нужно пространство для установки, а КПД достаточно низкий даже у лучших моделей.
• Панели могут служить источником энергии лишь днем. Чтобы пользоваться дарами зеленой энергетики круглые сутки, необходим аккумулятор – буферное накопительное устройство, а также инвертор (прибор для преобразования постоянного тока в переменный). «Бесплатную энергию от природы» трудно назвать дешевой.
• Зеленая технология вредит природе не хуже традиционного сжигания любого топлива. Стоит вспомнить особенности производства и, особенно, утилизации панелей и аккумуляторов. Ее экологичность под большим вопросом.
• Такой источник энергии трудно назвать независимым. Вы не имеете точек пересечения с государственными сетями, но не сможете обойтись без компаний, занимающихся обслуживанием, ремонтом систем, продажей комплектующих.
• Не всегда можно выйти на окупаемость системы, чаще технология оказывается убыточной. Дело в невнимательном подборе панелей, низкой производительности, неподходящих климатических условиях.

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.

Принцип действия солнечного коллектораИсточник 21ek.ru