Выгода от использования солнечных батареи в частном доме

солнечные батареи

Для создания системы автономного электроснабжения применяют солнечные батареи. Крупные инвестиции оправданы экономией денег при эксплуатации. Источник питания можно создать самостоятельно либо приобрести готовый комплект оборудования фабричного производства.

Содержание
  1. История происхождения
  2. Общее понятие солнечной батареи
  3. Принцип работы
  4. Устройство
  5. Срок службы
  6. Коэффициент полезного действия
  7. Пиковая нагрузка и среднесуточное потребление
  8. Влияние факторов внешней среды на уровень производительности
  9. Области применения
  10. Схема работы
  11. Разновидности солнечных панелей
  12. Кремниевые
  13. Поликристаллические
  14. Монокристаллические
  15. Из аморфного кремния
  16. Из редких металлов
  17. Категории качества
  18. Стандартные наборы
  19. Критерии выбора для частного дома: технические характеристики
  20. Порядок расчета энергетических показателей
  21. Подготовительные мероприятия
  22. Составление спецификации потребителей
  23. Анализ и оптимизация полученных данных
  24. Подбор узлов гелиоэлектростанции
  25. Определение рабочего напряжения системы
  26. Комплектование батареи солнечными модулями
  27. Обустройство аккумуляторного энергоблока
  28. Выбор хорошего контроллера
  29. Подбор инвертора лучшего исполнения
  30. Правила подключения и установки
  31. Способы добиться максимальной эффективности
  32. Крупнейшие производители
  33. Sharp
  34. IES
  35. Amonix
  36. Sun Power
  37. Телеком-СТВ
  38. Yingli Solar Green Energy Holding
  39. Sanyo
  40. First Solar
  41. Hanwha SolarOne
  42. Real Solar
  43. Helios House
  44. Инструкция по изготовлению и сборке своими руками
  45. Сложности в эксплуатации
  46. Положительные и отрицательные стороны использования солнечных батарей

История происхождения

Солнечные батареи
Солнечные батареи применяют для создания автономного электроснабжения в доме.

Повышают эффективность системы отопления энергией солнца — нагревают воду в змеевике из труб, подключенном к душу на даче. Генерацию пара обеспечивают комплектом зеркал, концентрирующих лучи на стенках бака.

Отмеченные приемы используют для решения бытовых и производственных задач. Такое оборудование выполняет полезную работу с потерями. Фотоэлемент может преобразовать энергию с лучшим КПД.

Фотоэффект при облучении электролитического раствора впервые обнаружил А. Беккерель в 1839 г. Следующий список отражает вклад других исследователей:

  • Г. Герц (1887 г.) — открытие внешнего фотоэффекта;
  • Томсон (1898 г.) — экспериментальное подтверждение возрастания силы тока при увеличении освещенности контрольной зоны;
  • Ф. Леонард (1902 г.) — регистрация зависимости образованной энергии от частоты облучающего сигнала;
  • А. Эйнштейн (1905 г.) — формулировка физических принципов явления.

Преобразование солнечной энергии в электрический ток выполняется без промежуточных этапов. Отсутствие теплоносителя определяет более высокую эффективность фотоэлектрической панели.

Общее понятие солнечной батареи

Автономный источник электропитания создают из нескольких фотоэлементов. Освещение рабочей области прямыми (рассеянными) солнечными лучами активирует систему генерации. Преобразователь эффективно (КПД>30%) вырабатывает постоянный электрический ток, который используют для питания подключенной техники.

Принцип работы

Типовой преобразователь — это p-n полупроводник. Солнечные лучи увеличивают энергетический потенциал электронов, которые при подключении проводника перемещаются от источника в сторону слоя p. Созданный электрический ток увеличивает заряд АКБ.

Принцип работы
Принцип работы солнечных батарей для электроснабжения дома.

Устройство

Серийные панели собирают из кремниевых пластин. Фиксируют фотоэлементы силовым каркасом. Боковые накладки защищают оборудование от повреждений.

Диоды рабочего блока предотвращают чрезмерный нагрев преобразователей при увеличении напряжения.

Состав оборудования:

  • комплект фотоэлементов (источник питания);
  • аккумуляторные батареи (АКБ), накапливающие энергию;
  • контроллер — электронный блок, автоматически управляющий переключением рабочих цепей;
  • инвертор — преобразователь постоянного тока в переменный (220V), который необходим для подключения стандартной техники.

Такой способ генерации электрической энергии применяют автономно или как вспомогательный источник питания.

Срок службы

Срок службы фотоэлектрических элементов определен:

  • параметрами примененных материалов;
  • климатическими условиями;
  • типом монтажной системы.

По средним показателям деградация фотоэлементов составляет 0,5-0,7% за год. Такая скорость негативного процесса через 20 лет непрерывной эксплуатации снижает эффективность преобразования энергии. Уменьшение исходных показателей мощности составляет 10-15%. Срок службы АКБ — до 8-10 лет.

Коэффициент полезного действия

Этим параметром обозначают эффективность процесса фотоэлектрического преобразования. КПД кремниевых (Si) пластин составляет 18-25%. Лучшие показатели обеспечивают многослойные панели (GaInP, Ge, GaAs) — до 32%.

Пиковая нагрузка и среднесуточное потребление

Выбирают компоненты оборудования после оценки максимального потребления. Этот параметр зависит от вида нагрузки. Индуктивный характер сопротивления электромотора, например, увеличивает пусковой ток. Оптимизируют режим эксплуатации ограничением мощности. Исключают одновременное подключение к автономному источнику питания электрических плит и кондиционеров, другой техники с большим потреблением энергии. Чтобы вычислить емкость АКБ, рассматривают 24-часовой рабочий цикл оборудования.

Влияние факторов внешней среды на уровень производительности

Причины, уменьшающие КПД фотоэлектрического элемента:

  • загрязненная поверхность;
  • перегрев;
  • затенение рабочей зоны;
  • падение солнечных лучей под углом к оптимальному направлению.

Количество ясных дней определяет эффективность фотоэлемента. Однако жаркий климат усложняет поддержание температурного режима, установленного производителем.

Солнечные батареи в пасмурный день
Уровень производительности батарей уменьшается при затенении рабочей зоны.

Автоматизированный привод, перемещающий пластины рабочего блока перпендикулярно к источнику света — дорогое оборудование. Экономическим расчетом уточняют целесообразность таких инвестиций.

Области применения

Фотоэлектрическими батареями необходимой мощности оснащают:

  • автомобили, самолеты, корабли, другие транспортные средства;
  • метеорологические станции;
  • туристические лагеря;
  • рекламные щиты;
  • охранные системы;
  • вышки сотовой связи;
  • осветительные приборы.

Автономный источник энергии устанавливают, если объект недвижимости расположен далеко от линии электропередачи. Для сравнительного анализа берут данные о стоимости прокладки инженерных сетей.

Материал по теме: Теплый пол: электрический или водяной — принципы работы и устройство систем

Схема работы

Количество вырабатываемой энергии определяют:

  • условия освещенности;
  • тип модулей.

Контроллер обеспечивает распределительные функции. Этот электронный блок поддерживает уровень заряда АКБ. Сложная модификация — автоматически подключает питание от стандартной сети либо автономный генератор.

Инвертор из постоянного тока формирует выходной переменный сигнал с амплитудой 220 V. Этот блок потребляет часть энергии на преобразование, поэтому учитывают потери мощности.

Аккумуляторная батарея — накопительный элемент системы. Фотоэлемент не используется ночью. АКБ обеспечивает непрерывность электропитания.

Разновидности солнечных панелей

Фотоэлектрический преобразователь создают по разным технологиям. Кроме эффективности источника автономного питания (КПД) учитывают:

  • цену;
  • скорость деградации;
  • рекомендованные условия эксплуатации.

Некоторые фотоэлементы обеспечивают генерацию при неблагоприятных погодных условиях.

Кремниевые

Главное условие высокой эффективности преобразования энергии солнечного света — отсутствие примесей в кремнии. Технология производства рабочих элементов определяет параметры генерации.

Кремниевые батареи
Кремниевые панели.

Поликристаллические

Для изготовления фотоэлементов применяют высокотемпературную обработку исходного сырья. Расплавленный материал после остывания отличается неравномерным распределением цвета поверхности. Сравнительно низкий КПД фотоэлектрических преобразователей (до 16%) компенсирует способность генерации энергии при разных углах падения лучей. Мощность уменьшается, если облака создают тень. Однако сохраняется рабочее состояние фотоэлемента.

Монокристаллические

Пластины создают из цилиндрических заготовок, поэтому углы срезают. Упорядоченная направленность кристаллов увеличивает КПД источника автономного питания до 30%. Ускоренное старение уменьшает эффективность генерации до 25-30% за 25 лет эксплуатации оборудования.

Из аморфного кремния

Рабочий слой фотоэлемента наносят напылением. Применяют подложку из гибкого материала. Такие панели можно устанавливать на криволинейную основу. КПД — не более 11%.

Из редких металлов

Дороговизна исходного сырья увеличивает стоимость изделий. Самые эффективные пластины создают из арсенида галлия (индия), обеспечивают КПД ≤ 40%. Отдельные комбинации редких металлов сохраняют хорошие показатели фотоэлектрических преобразователей, если температура оборудования увеличивается до +150°C.

Категории качества

Применяют следующую классификацию солнечных батарей:

Категория (Grade)Эффективность, %Дефекты
A>19Отсутствуют
B15-19Разные оттенки матриц, незначительное искривление поверхности
C12-15Видимые сколы, трещины, много паяных элементов
D<12

Один наименее мощный фотоэлемент в блоке создает условия для локального перегрева. Высокая температура увеличивает скорость деградации полупроводника. Блоки категории C или D отличаются большим количеством компонентов по сравнению с преобразователем категории A аналогичной мощности.

Установка с фотоэлементом
Создает условия для локального перегрева всего лишь один наименее мощный фотоэлемент.

Действующими нормативами установлены размеры сторон пластин 125 или 154 мм. Уменьшение параметра косвенно свидетельствует об изготовлении фотоэлемента из производственных отходов.

Стандартные наборы

Чтобы создать автономный источник питания, покупают:

  • комплект фотоэлектрических преобразователей;
  • элементы крепления;
  • контроллер;
  • инвертор;
  • АКБ;
  • соединительные провода, клеммы.

Выключатели, другие компоненты электрической схемы оборудования приобретают по утвержденной схеме подключения.

Критерии выбора для частного дома: технические характеристики

Кроме стоимости блока пластин, проверяют:

  • мощность;
  • КПД;
  • размеры;
  • комплектацию;
  • гарантии производителя.

Защитное покрытие продлевает ресурс фотоэлектрического преобразователя. Дорогой металлический каркас надежнее, чем дешевый пластиковый аналог.

Порядок расчета энергетических показателей

Вычисление рабочих параметров упрощают таблицей Excel. Результат рассчитывается автоматически после внесения исходных данных.

Подготовительные мероприятия

Пример заполнения:

СтолбцыЗначения
1Порядковый номер
2Наименование подключаемого прибора
3Мощность по техническому паспорту
4-27В ячейках часовых временных интервалов отмечают периоды включения оборудования, потребление электроэнергии
28, 29Суммарные показатели

Составление спецификации потребителей

Применяют последовательную запись электрических параметров, начиная с цоколя здания. Обходят помещения по часовой стрелке. Вносят сведения об уличном освещении, подключенной технике. Время работы указывают в десятичном формате. Учитывают потребление электроэнергии блоком фотоэлектрических панелей.

Анализ и оптимизация полученных данных

Для применения фотоэлементов как резервного источника питания смещают самые мощные нагрузки в зону действия централизованного снабжения электрической энергией.

Если оборудование применяют автономно, потребление распределяют равномерно.

Подбор узлов гелиоэлектростанции

Для изучения проекта независимого источника питания можно рассмотреть электростанцию на дачу из фотоэлектрических панелей.

Исходные параметры:

  • потребление (Е), кВт/ сутки — 14;
  • мощность нагрузки (среднее, максимальное, пиковое значение), Вт — 700, 1500, 1850;
  • место расположения объекта недвижимости — г. Казань.

Подразумевается сезонная генерация (март — сентябрь).

Определение рабочего напряжения системы

Напряжение сети постоянного тока, VОсобенностиРекомендованная мощность, кВт
12Параллельное включение АКБ увеличивает силу тока на выходе, поэтому применяют провода с большим поперечным сечениемДо 1,5
24Замена аккумуляторных батарей выполняется парами1,5-3
48Этот уровень напряжения увеличивает опасность поражения пользователей электрическим током6 и более

Комплектование батареи солнечными модулями

Формула расчета мощности панели преобразователя — P = (Е*1000)/ (К*И), где:

  • Е — среднесуточное потребление электроэнергии;
  • 1000 — относительная светочувствительность фотоэлементов;
  • К — коэффициент потерь;
  • И — инсоляция при оптимальном положении панелей относительно падающих лучей.

Если рабочая зона блока установлена горизонтально, среднее значение солнечной радиации для Казани летом составляет 4,49 кВт*ч/м кв. Подставив исходные параметры, вычисляют мощность электрического источника автономного питания: P = (14*1000)/ (4,49*0,7) ≈ 4450 Вт.

Обустройство аккумуляторного энергоблока

При выборе АКБ учитывают следующие факторы:

  • для системы с фотоэлектрическими преобразователями подходят АКБ с маркировкой Solar;
  • необходимо покупать комплект батарей из одной товарной партии (подразумеваются одинаковые технические параметры АКБ);
  • полная разрядка уменьшает срок службы аккумуляторов, поэтому значение поддерживают от 50 до 70%;
  • достаточный энергетический запас — сутки.

Для установки АКБ применяют отапливаемое помещение. Рекомендуемая температура воздуха: +25°C.

Аккумулятор для солнечных батарей
Аккумулятор для солнечных батарей.

Выбор хорошего контроллера

Хорошее оснащение блока управления обеспечивает поэтапный процесс зарядки, продлевающий ресурс АКБ. Сложный контроллер обеспечивает коммутацию автономного и сетевого источников питания по установленному алгоритму.

Подбор инвертора лучшего исполнения

Эффективное преобразование выполняется без больших потерь (КПД>90%). Важный параметр генерации — форма выходного сигнала. Чем точнее синусоида блока питания, тем лучше.

Правила подключения и установки

Фотоэлектрические преобразователи размещают на крыше дома либо на территории земельного участка. Рабочую поверхность автономной системы электрической генерации направляют на юг. Оставляют вентиляционный промежуток между панелью и поверхностью кровли. Крепление блоков делают не менее чем в 4 точках по длинной стороне.

Способы добиться максимальной эффективности

Увеличивают КПД оборудования ориентацией модуля батарей перпендикулярно падающим лучам. Промышленные установки оснащают автоматизированным приводом, трекером. В домашней недорогой системе генерации панели перемещают вручную.

Выгодный угол наклона к горизонтали весной и осенью устанавливают равным значению географической широты (г. Казань — 55°). Летом (зимой) этот параметр уменьшают (увеличивают) на 10-15°.

Крупнейшие производители

Электрические солнечные батареи надежных брендов стоят дорого. Однако большие инвестиционные затраты компенсируются высоким КПД, стабильными техническими характеристиками. Компании обеспечивают контроль рабочих параметров автономных систем генерации до поставки.

Sharp

Японская корпорация создает многослойные батареи (КПД>44%). Преобразователями Sharp оснащают миниатюрные светильники, бытовые системы электроснабжения, промышленные установки.

IES

Производственные подразделения профильного института (Испания) создают мощные солнечные батареи. Эффективность генерации энергии — более 32%. Сотрудники IES создают новые устройства по программе сотрудничества с университетом UPM.

Amonix

Частный разработчик профильного оборудования (США). Крупнейший проект Amonix — американская электростанция, обеспечивающая электроснабжение 6,5 тыс. домов. Лучшие образцы продукции обеспечивают генерацию электрической энергии с КПД — 34,9%.

Sun Power

Основная деятельность Sun Power ограничена рынком Северной Америки. Тонкие проводники встраиваются в тыльную часть батареи, что увеличивает площадь рабочей зоны.

Телеком-СТВ

Серийные панели российского производства обеспечивают эффективность до 21%. Компания поддерживает ценовой уровень на 25-30% ниже, чем конкуренты. Мощность электрических модулей (монокристаллических) — до 270 Вт.

Yingli Solar Green Energy Holding

Китайский концерн — один из крупнейших профильных производителей. Ассортимент бренда содержит 2-сторонние солнечные панели.

Sanyo

Компания в 1980 г. выпустила первые автономные генераторы, действующие по фотоэлектрическим принципам. Высокое качество батарей подтверждено увеличенными до 15 лет официальными гарантийными обязательствами.

First Solar

Панели бренда (США) создают из теллурита кадмия, снижая себестоимость. На домашнем рынке компания предлагает потребителям комплексные решения — от финансирования проекта до утилизации модулей.

Солнечные панели
Панели, созданные брендом, снижают себестоимость так как выполнены из теллурита кадмия.

Hanwha SolarOne

Производитель (Китай) установил общую гарантию 12 лет на всю продукцию этого типа. Линейность параметров генерации (мощность) преобразователей сохраняется 25 лет.

Real Solar

Российский производитель выпускает:

  • перемычки;
  • кабели;
  • блоки коммутации;
  • автоматизированное управление.

Балансиры Real Solar обеспечивают равномерность цикла электрического заряда, которая увеличивает срок службы АКБ.

Helios House

Эта компания (РФ) проектирует, создает, устанавливает и обслуживает системы автономного электроснабжения. Возможность ремонтных работ ограничена зоной действия предприятия — Москва, Санкт-Петербург.

Инструкция по изготовлению и сборке своими руками

Алгоритм действий:

  • расчет параметров электрической системы питания;
  • создание проекта;
  • приобретение комплектующих деталей;
  • изготовление несущей конструкции из фанеры, ДВП, деревянных реек;
  • закрепление фотоэлементов, пайка проводников;
  • установка защитной крышки из оргстекла;
  • фиксация собранных панелей на опорной поверхности;
  • подсоединение инвертора, АКБ, других функциональных блоков;
  • проверка мощности генерации, иных параметров оборудования.

Рекомендуется изучить варианты подключения функциональных компонентов системы, чтобы обеспечивать выбор подходящей схемы.

Сложности в эксплуатации

Поддерживают эффективность преобразователей периодической очисткой поверхности. Оптимизируют угол наклона системы. Регулярно проверяют состояние АКБ.

Положительные и отрицательные стороны использования солнечных батарей

Преимущества фотоэлектрического источника питания:

  • электроснабжение без дополнительных эксплуатационных затрат;
  • самостоятельное выполнение монтажа;
  • длительный срок службы рабочих пластин.

Недостатки:

  • зависимость от географического расположения;
  • снижение эффективности (мощности) в пасмурную погоду;
  • необходимость регулярной очистки загрязненной поверхности.

Для отопления в северных регионах России такое преобразование не подходит. Кроме высокой цены, следует учитывать низкую инсоляцию. Совершенствование процессов производства уменьшает издержки. Новые технологии увеличивают КПД солнечных панелей.

Семёнов Дмитрий

Сейчас действующий прораб на одной крупной строительной фирме, занимающейся застройкой коттеджных посёлков и строительством частных домов. Раннее сам на протяжении 14 лет в качестве исполнителя занимался строительством домов и ремонтом жилых помещений.

Оцените автора
Помощник строителя
Добавить комментарий

Adblock
detector