Солнечные батареи. Виды и характеристики.
Отдельные солнечные элементы обычно генерируют низкое напряжение (около 0,6 В для кремниевых элементов) и небольшой ток. При увеличении светового потока, падающего на элемент, напряжение растет, но только до определенного предела, так как зависимость нелинейная. Для общего понимания потенциала солнечной генерации в вашем регионе можно использовать карту ниже.
Солнечная батарея наиболее эффективно работает при определенном сопротивлении нагрузки, которое оптимизируется с помощью специального контроллера, установленного между батареей и нагрузкой.
Чтобы увеличить выходное напряжение, элементы соединяют последовательно, а для повышения тока — параллельно. Например, для зарядки автомобильного аккумулятора требуется батарея из 36 последовательно соединенных солнечных элементов. Ток заряда также регулируется электронным контроллером.
Элементы, объединенные в батарею, располагаются на подложке и закрываются снаружи прозрачным листовым стеклом, защищающим от воздействия окружающей среды (дождя, града и пр.).
Основные параметры, характеризующие эффективность солнечного элемента, включают напряжение холостого хода и ток короткого замыкания. Мощность солнечной батареи измеряется в ваттах или киловаттах. Поскольку солнечное освещение варьируется в течение дня, а ночью отсутствует, принято считать, что солнечная батарея в среднем обеспечивает 20% от пиковой мощности. Это означает, что каждый киловатт выходной мощности генерирует около 4,8 кВт·ч энергии в сутки.
Спектральный состав света, падающего на элемент, зависит от свойств атмосферы. Для учета этих свойств используется понятие массы воздуха (МВ). В космосе МВ = 0, на Земле — 1,5. На входе в атмосферу Земли мощность солнечного излучения составляет 1366 Вт/м², а в облачную погоду на поверхности может снижаться ниже 100 Вт/м², что более чем в 10 раз меньше. В пасмурную погоду мощность может падать в 15-20 раз. Однако разработаны фотоэлементы, которые могут преобразовывать инфракрасное излучение Солнца в электричество.
Солнечная батарея генерирует постоянный ток низкого напряжения, и для подачи энергии в стандартную электрическую сеть переменного тока используется инвертор.
Для обеспечения независимости системы электроснабжения на основе солнечных батарей от временных перебоев в выработке энергии (ночью, при непогоде) в систему включены аккумуляторы. Они заряжаются при избытке выработанной мощности и отдают заряд при ее недостатке.
Частичное затемнение солнечной батареи может быть опасным, так как неосвещенные элементы начинают работать как паразитная нагрузка. Чтобы предотвратить это, каждый элемент шунтируется полупроводниковым диодом (байпасом).
Виды солнечных элементов
По технологии изготовления солнечные элементы подразделяются на четыре типа:
- Монокристаллические
- Поликристаллические
- Тонкопленочные
- Гибридные
Монокристаллические элементы
Монокристаллические элементы производятся из монокристаллов кремния очень высокой частоты, что обеспечивает им высокие эксплуатационные характеристики. Углы этих элементов скошены, придавая им вид пчелиных сот. Сверху они покрываются антиотражающим материалом ярко-синего цвета.
Поликристаллические элементы
Поликристаллические элементы изготавливаются из более дешевых поликристаллов кремния. Эти элементы дешевле благодаря низким затратам энергии на их производство и отсутствию необходимости выращивать единый кристалл. Заготовка состоит из множества кристаллов с случайной ориентацией осей. Поверхность таких ячеек черная и выглядит неоднородной, сами ячейки обычно имеют квадратную форму.
Тонкопленочные элементы
Тонкопленочные элементы, также известные как «гибкие панели», производятся методом вакуумного напыления аморфного кремния слоем толщиной не более 1 мкм на гибкую подложку. Это самые дешевые из всех типов солнечных элементов. Возможно использование и других полупроводниковых материалов, таких как теллурид кадмия или селенид меди-индия. Напыление защищается пленкой.
Гибридные элементы
Гибридные элементы сочетают в себе кристаллический и аморфный полупроводниковые материалы. Тонкий слой аморфного полупроводника наносится поверх кристаллического. Высокая эффективность таких элементов объясняется различной спектральной чувствительностью аморфного и кристаллического кремния, что повышает общий КПД батареи при освещении солнечным светом широкого спектра.
Полимерные солнечные панели
Совсем недавно были разработаны полимерные солнечные панели. В качестве активных элементов этих панелей используются тонкие полимерные пленки, например, из фенилена, толщиной около 100 нм. Эти панели имеют низкий КПД (около 5%), но являются дешевыми в производстве.
Сравнение солнечных элементов по их коэффициенту полезного действия (КПД)
Коэффициент полезного действия (КПД) солнечного элемента определяется как отношение выработанной элементом электрической энергии к энергии падающего на элемент света. КПД зависит от спектрального состава света, температуры окружающей среды и типа подключенной нагрузки.
Для сравнения различных солнечных элементов используется стандарт МЭК 61215. Он предусматривает измерение характеристик на поверхности Земли при температуре 25 °С, спектре излучения, близком к солнечному, и мощности излучения свыше 1 кВт/м². Нагрузка является резистивной, для достижения максимальной мощности.
КПД солнечных элементов варьируется от 6% для аморфных кремниевых элементов до 41-43% для элементов особой гибридной конструкции. У наиболее распространенных поликристаллических элементов КПД составляет 14-19%.
Наивысший КПД среди кремниевых элементов достигается монокристаллическими элементами и составляет до 22%, что близко к теоретическому пределу в 29%. Такая эффективность позволяет возместить энергозатраты на их производство за 1-2 года.
Использование солнечных концентраторов, повышающих интенсивность света за счет оптики, увеличивает КПД солнечных батарей до 15%. Концентраторы состоят из механического модуля, поворачивающего оптическую систему (линзы) в сторону солнца, и могут увеличивать интенсивность света в 6-400 раз. Эти устройства особенно эффективны в регионах с постоянным солнечным освещением. В облачную погоду эффективность концентраторов снижается, так как линзы не могут концентрировать рассеянное излучение.
Высокий КПД не всегда экономически оправдан, если, например, его увеличение в 4 раза приводит к удорожанию производства в 100 раз.
Одной из ключевых характеристик солнечных элементов является время окупаемости энергозатрат, или время восстановления, которое показывает, за какой период фотоэлектрический модуль вырабатывает количество энергии, равное затратам на его производство. Для современных модулей это время составляет от 1 до 4 лет. В 90-х годах КПД элементов был значительно ниже из-за менее развитых технологий производства, и срок эксплуатации был коротким, что увеличивало время восстановления. Современные тонкопленочные технологии позволяют окупить энергозатраты за 1 год, при этом срок службы таких элементов составляет 20-30 лет.
Ветровые электростанции (ВЭС), ветрогенераторы и ветряки
Еще одним альтернативным источником энергии является ветрогенерация. Работа ветрогенератора основана на использовании кинетической энергии ветра для выработки электричества. Ветер приводит в движение лопасти, которые вращают турбину. Турбина, в свою очередь, через вал передает механическую энергию на генератор, преобразующий ее в электрическую.
Основные этапы процесса:
- Вращение лопастей: Потоки ветра вращают лопасти ветрогенератора. Скорость вращения зависит от силы ветра: чем сильнее ветер, тем быстрее вращаются лопасти.
- Передача энергии турбиной: Лопасти соединены с турбиной, вращение которой создает механическую энергию на валу.
- Усиление энергии (при наличии мультипликатора): В некоторых ветрогенераторах используется мультипликатор, увеличивающий скорость вращения вала, чтобы повысить эффективность передачи энергии. Однако более эффективными считаются устройства без мультипликатора, так как они минимизируют потери энергии, полагаясь на достаточную скорость ветра для оптимальной работы.
- Преобразование энергии в генераторе: Генератор, подключенный к валу турбины, преобразует механическую энергию в электрическую. Этот процесс происходит за счет вращения магнитного поля в генераторе, что индуцирует электрический ток.
Мощность ветрогенератора
Мощность ветрогенератора определяется «ометаемой» площадью турбины, которая зависит от длины лопастей. Чем длиннее лопасти, тем больше энергии может генерировать ветрогенератор при определенной скорости ветра. Мощность ветрогенератора имеет кубическую зависимость от скорости ветра.
Пример расчета мощности:
- Ветровой поток со скоростью n создает мощность 100 Вт.
- Поток со скоростью n+1 будет создавать мощность 300 Вт.
- Поток со скоростью n+2 создаст мощность 900 Вт.
Таким образом, небольшие турбины требуют более сильного ветра для достижения высокой мощности, в то время как большие турбины могут вырабатывать ту же мощность при более слабом ветре.
Проектирование ветрогенератора
Для обеспечения сбалансированной работы ветрогенератора и получения необходимого количества энергии важно на этапе проектирования правильно рассчитать все параметры ветряной электростанции. Это включает оценку ветрового потенциала, выбор оптимального размера лопастей и расчет необходимой мощности.
Правильное проектирование гарантирует эффективное использование энергии ветра и стабильное производство электричества, минимизируя затраты и максимизируя выходную мощность. Карта потенциала ветрогенерации ниже.
Стоимость и обслуживание
Средняя стоимость ветроустановки мощностью 5-6 кВт, включая все необходимые компоненты (аккумуляторы, инверторы и т.д.), на рынке составляет около 15 тысяч долларов США. В течение 20 лет эксплуатации потребуется провести ремонт и замену аккумуляторных батарей 2-3 раза, что добавит к затратам еще около 10 тысяч долларов.
Преимущества и недостатки втрогенерации
Преимущества:
- Экологичность: Ветроустановка не загрязняет окружающую среду и не производит вредных выбросов.
- Возобновляемый источник энергии: Ветер является неисчерпаемым ресурсом.
- Автономность: Возможность установки в удаленных и труднодоступных местах, независимость от централизованных электросетей.
- Экономия на долгосрочной основе: После первоначальных вложений и периодических расходов на обслуживание, использование ветроэнергии становится бесплатным.
Недостатки:
- Высокие первоначальные затраты: Значительные вложения на установку и оборудование.
- Неустойчивость ветра: Производительность ветроустановки зависит от стабильности и силы ветра, что может привести к переменным уровням производства энергии.
- Шум и вибрация: Ветрогенераторы могут создавать шум и вибрационные нагрузки, что может быть неудобным для жителей и окружающей среды.
- Ремонт и обслуживание: Необходимость периодического ремонта и замены аккумуляторов увеличивает общие расходы.
Что лучше всего использовать для экономичного отопления дома и сколько кВт энергии на это потребуется?
Лучшим решением для отполения дома является электрический теплый пол. Это может быть:
Греющий кабель
Нагревательный мат
Инфракрасная пленка
- Более подробно о видах электрических теплых полов в статье по ссылке
Монтируется теплый пол под любое напольное покрытие (от заливки в бетон до укладки прямо под ламинат). Сама система отопления состоиит из отдельных греюших зон (кухня, ванная, комната и тд) температуру в каждой из которых контролирует терморегулятор. Тоесть вы можете более гибко упрвлять обогревом всего дома меняя температуру зонально или отключая отдельные помещения вовсе.
Как расчитать потребление электроенергии и мощность нагревателя?
Для основого обогрева помещения необходимо закрыть нагревателем теплого пола до 70% от общей площади. При этом мощность самого нагревателя должна составлять 150 вт м2.
Тоесть 100 м2 * 0,7 = 70 м2 греющей зоны
70 м2* 0,15 кВт = 10,5 кВт в час мощность нагревателя
Но теплый пол не работает постоянно, при прогреве помещения он входит в режим поддержания температуры и потребляет от 30 до 60 вт с м2 греющей зоны.
Тоесть потребление на обогрев 100 м2 = 70 * 0,06 -0,03 = от 4,2 кВт до 2,1 кВт в зависимости от утепления помещения
Какая система генерации лучше для отопления дома?
Солнечные панели для отопления дома.
Использование солнечных панелей для отопления дома является привлекательной идеей для владельцев больших домов, стремящихся сократить расходы на отопление и уменьшить зависимость от централизованных систем и дорогих энергоносителей. Однако, полностью решить эту проблему с помощью солнечной электростанции непросто.
Продуктивность солнечных панелей по сезонам
Основная проблема заключается в том, что наибольшую продуктивность солнечные электростанции демонстрируют в период с апреля по сентябрь. В этот период они способны производить до 70% годового объема электроэнергии. В отопительный же сезон, когда солнечных дней значительно меньше, выработка энергии падает, обеспечивая лишь около 30% от годового объема.
Пример расчета для дома площадью 100 квадратных метров
Для обогрева дома площадью 100 квадратных метров требуется примерно
4,2 — 2,1 *24 часа = от 100,8 кВт до 50,4 кВт электроенергии в сутки в режиме поддержания.
Так как мощность нагревателя для отопления 100 м2 составляет около 10 кВт, то для примера возьмем солнечную установку мощностью 10 Квт (это около 30 панелей). Летом в солнечный день генарция всех 10 кВт/ч (около 80-100 кВт сутки с учетом ночного времени) не будет проблемой, но в зимний период эфективность панелей снижается кратно и составляет всего 10-15 киловатт-часов энергии в день. Из этоого вывод что мощности только солнечных панелей для основого отопления дома будет не достаточно.
Ветроустановка для питания отоплением (теплый пол) в частном доме.
Как и вслучае с солнечными панелями (в не солнечную погоду или ночью) когда снижается генерация, также и с ветряками порывы ветра могут быть минимальны. Но в отличии от солнечных панелей, в той или иной стпени ветер присутствует постоянно. Для просчета средней генерации (не путайте с просчетом мощности при выборе установки) можно использовать примитивную формулу мощность установки * 40% = средний выход кВт.
Возьмем как и в примере с солнечными панелями ветротурбину мощностью 10 Квт *40% = 4 кВт/час или 96 кВт в сутки в среднем вырабатка.
Вывод
Если взять за основу исключительно потенциал электрогенерации в зимний период, то у ветряка он кратно выше по сравнению с солнечными панелями, так как зимой солнечная активность крайне мала а световой день короток . По этому для питания теплого пола при автономном отоплении дома, продуктивней использовать ветряк.
- Как идеальное решение то стоит скомбинировать ветрогенератор, солнечную панель (отлично подойдет для ситуации с солнечной и не ветренной погодой) + топливный генератор (для страховки при падениях выработки). Такая система даст полную автономию.
