Сонячні батареї. Види та характеристики.
Окремі сонячні елементи зазвичай генерують низьку напругу (близько 0,6 В для кремнієвих елементів) і невеликий струм. Зі збільшенням світлового потоку, що падає на елемент, напруга зростає, але тільки до певного певної межі, оскільки залежність нелінійна. Для загального розуміння потенціалу сонячної генерації у вашому регіоні можна використати карту нижче.
Сонячна батарея найбільш ефективно працює за певного опору навантаження, який оптимізується за допомогою спеціального контролера, встановленого між батареєю та навантаженням.
Щоб збільшити вихідну напругу, елементи з’єднують послідовно, а для підвищення струму — паралельно. Наприклад, для заряджання автомобільного акумулятора потрібна батарея з 36 послідовно з’єднаних сонячних елементів. Струм заряду також регулюється електронним контролером.
Елементи, об’єднані в батарею, розташовуються на підложці і закриваються ззовні прозорим листовим склом, що захищає від впливу навколишнього середовища (дощу, граду тощо).
Основні параметри, що характеризують ефективність сонячного елемента, включають напругу холостого ходу та струм короткого замикання. Потужність сонячної батареї вимірюється у ватах або кіловатах. Оскільки сонячне освітлення варіюється протягом дня, а вночі відсутнє, прийнято вважати, що сонячна батарея в середньому забезпечує 20% від пікової потужності. Це означає, що кожен кіловат вихідної потужності генерує близько 4,8 кВт·год енергії на добу.
Спектральний склад світла, що падає на елемент, залежить від властивостей атмосфери. Для врахування цих властивостей використовується поняття маси повітря (МП). У космосі МП = 0, на Землі — 1,5. На вході в атмосферу Землі потужність сонячного випромінювання становить 1366 Вт/м², а в похмуру погоду на поверхні може знижуватися нижче 100 Вт/м², що більш ніж у 10 разів менше. У похмуру погоду потужність може падати в 15-20 разів. Однак розроблені фотоелементи, які можуть перетворювати інфрачервоне випромінювання Сонця на електрику.
Сонячна батарея генерує постійний струм низької напруги, і для подачі енергії в стандартну електричну мережу змінного струму використовується інвертор.
Для забезпечення незалежності системи електропостачання на основі сонячних батарей від тимчасових перебоїв у виробленні енергії (вночі, за негоди) до системи включено акумулятори. Вони заряджаються при надлишку виробленої потужності та віддають заряд при її нестачі.
Часткове затемнення сонячної батареї може бути небезпечним, оскільки неосвітлені елементи починають працювати як паразитна навантаження. Щоб запобігти цьому, кожен елемент шунтується напівпровідниковим діодом (байпасом).
Види сонячних елементів
За технологією виготовлення сонячні елементи поділяються на чотири типи:
- Монокристалічні
- Полікристалічні
- Тонкоплівкові
- Гібридні
Монокристалічні елементи
Монокристалічні елементи виробляються з монокристалів кремнію дуже високої чистоти, що забезпечує їм високі експлуатаційні характеристики. Кути цих елементів скошені, надаючи їм вигляду бджолиних стільників. Зверху вони покриваються антивідблисковим матеріалом яскраво-синього кольору.
Полікристалічні елементи
Полікристалічні елементи виготовляються з дешевших полікристалів кремнію. Ці елементи дешевші завдяки низьким витратам енергії на їхнє виробництво та відсутності необхідності вирощувати єдиний кристалл. Заготовка складається з безлічі кристалів із випадковою орієнтацією осей. Поверхня таких комірок чорна і виглядає неоднорідною, самі комірки зазвичай мають квадратну форму.
Тонкоплівкові елементи
Тонкоплівкові елементи, також відомі як «гнучкі панелі», виробляються методом вакуумного напылення аморфного кремнію шаром завтовшки не більше 1 мкм на гнучку підложку. Це найдешевші з усіх типів сонячних елементів. Можливе використання й інших напівпровідникових матеріалів, таких як телурид кадмію або селенід міді-індію. Напилення захищається плівкою.
Гібридні елементи
Гібридні елементи поєднують у собі кристалічний та аморфний напівпровідникові матеріали. Тонкий шар аморфного напівпровідника наноситься поверх кристалічного. Висока ефективність таких елементів пояснюється різною спектральною чутливістю аморфного та кристалічного кремнію, що підвищує загальний ККД батареї при освітленні сонячним світлом широкого спектра.
Полімерні сонячні панелі
Зовсім недавно були розроблені полімерні сонячні панелі. Як активні елементи цих панелей використовуються тонкі полімерні плівки, наприклад, з фенілену, завтовшки близько 100 нм. Ці панелі мають низький ККД (близько 5%), але є дешевими у виробництві.
Порівняння сонячних елементів за їх коефіцієнтом корисної дії (ККД)
Коефіцієнт корисної дії (ККД) сонячного елемента визначається як відношення виробленої елементом електричної енергії до енергії світла, що падає на елемент. ККД залежить від спектрального складу світла, температури навколишнього середовища та типу підключеного навантаження.
Для порівняння різних сонячних елементів використовується стандарт МЕК 61215. Він передбачає вимірювання характеристик на поверхні Землі при температурі 25 °С, спектрі випромінювання, близькому до сонячного, та потужності випромінювання понад 1 кВт/м². Навантаження є резистивним для досягнення максимальної потужності.
ККД сонячних елементів варіюється від 6% для аморфних кремнієвих елементів до 41-43% для елементів особливої гібридної конструкції. У найпоширеніших полікристалічних елементів ККД становить 14-19%.
Найвищий ККД серед кремнієвих елементів досягається монокристалічними елементами і становить до 22%, що близько до теоретичної межі в 29%. Така ефективність дозволяє відшкодувати енерговитрати на їхнє виробництво за 1-2 роки.
Використання сонячних концентраторів, що підвищують інтенсивність світла за рахунок оптики, збільшує ККД сонячних батарей до 15%. Концентратори складаються з механічного модуля, який повертає оптичну систему (лінзи) у бік сонця, і можуть збільшувати інтенсивність світла в 6-400 разів. Ці пристрої особливо ефективні в регіонах із постійним сонячним освітленням. У похмуру погоду ефективність концентраторів знижується, оскільки лінзи не можуть концентрувати розсіяне випромінювання.
Високий ККД не завжди є економічно виправданим, якщо, наприклад, його збільшення в 4 рази призводить до подорожчання виробництва в 100 разів.
Однією з ключових характеристик сонячних елементів є час окупності енерговитрат, або час відновлення, який показує, за який період фотоелектричний модуль виробляє кількість енергії, що дорівнює витратам на його виробництво. Для сучасних модулів цей час становить від 1 до 4 років. У 90-х роках ККД елементів був значно нижчим через менш розвинені технології виробництва, і термін експлуатації був коротким, що збільшувало час відновлення. Сучасні тонкоплівкові технології дозволяють окупити енерговитрати за 1 рік, при цьому термін служби таких елементів становить 20-30 років.
Вітрові електростанції (ВЕС), вірогенератори та вітряки
Ще одним альтернативним джерелом енергії є вірогенерація. Робота вірогенератора ґрунтується на використанні кінетичної енергії вітру для вироблення електрики. Вітер приводить у рух лопаті, які обертають турбіну. Турбіна, своєю чергою, через вал передає механічну енергію на генератор, який перетворює її на електричну.
Основні етапи процесу:
- Обертання лопатей: Потоки вітру обертають лопаті вірогенератора. Швидкість обертання залежить від сили вітру: чим сильніший вітер, тим швидше обертаються лопаті.
- Передача енергії турбіною: Лопаті з’єднані з турбіною, обертання якої створює механічну енергію на валу.
- Підсилення енергії (за наявності мультиплікатора): У деяких вірогенераторах використовується мультиплікатор, що збільшує швидкість обертання вала, аби підвищити ефективність передачі енергії. Однак більш ефективними вважаються пристрої без мультиплікатора, оскільки вони мінімізують втрати енергії, покладаючись на достатню швидкість вітру для оптимальної роботи.
- Перетворення енергії в генераторі: Генератор, підключений до вала турбіни, перетворює механічну енергію на електричну. Цей процес відбувається завдяки обертанню магнітного поля в генераторі, що індукує електричний струм.
Потужність вірогенератора
Потужність вірогенератора визначається «опромінюваною» площею турбіни, яка залежить від довжини лопатей. Чим довші лопаті, тим більше енергії може генерувати вірогенератор за певної швидкості вітру. Потужність вірогенератора має кубічну залежність від швидкості вітру.
Приклад розрахунку потужності:
- Вітровий потік зі швидкістю n створює потужність 100 Вт.
- Потік зі швидкістю n+1 створюватиме потужність 300 Вт.
- Потік зі швидкістю n+2 створить потужність 900 Вт.
Таким чином, невеликі турбіни вимагають сильнішого вітру для досягнення високої потужності, тоді як великі турбіни можуть виробляти ту ж потужність за слабшого вітру.
Проектування вірогенератора
Для забезпечення збалансованої роботи вірогенератора та отримання необхідної кількості енергії важливо на етапі проєктування правильно розрахувати всі параметри вітряної електростанції. Це включає оцінку вітрового потенціалу, вибір оптимального розміру лопатей та розрахунок необхідної потужності.
Правильне проєктування гарантує ефективне використання енергії вітру та стабільне виробництво електрики, мінімізуючи витрати та максимізуючи вихідну потужність. Карта потенціалу вірогенерації нижче.
Вартість та обслуговування
Середня вартість вітроустановки потужністю 5-6 кВт, включаючи всі необхідні компоненти (акумулятори, інвертори тощо), на ринку становить близько 15 тисяч доларів США. Протягом 20 років експлуатації потрібно буде провести ремонт і заміну акумуляторних батарей 2-3 рази, що додасть до витрат ще близько 10 тисяч доларів.
Переваги та недоліки вірогенерації
Переваги:
- Екологічність: Вітроустановка не забруднює навколишнє середовище і не створює шкідливих викидів.
- Відновлюване джерело енергії: Вітер є невичерпним ресурсом.
- Автономність: Можливість встановлення у віддалених і важкодоступних місцях, незалежність від централізованих електромереж.
- Економія на довгостроковій основі: Після початкових вкладень і періодичних витрат на обслуговування використання вітроенергії стає безкоштовним.
Недоліки:
- Високі початкові витрати: Значні вкладення на встановлення та обладнання.
- Нестійкість вітру: Продуктивність вітроустановки залежить від стабільності та сили вітру, що може призвести до змінних рівнів виробництва енергії.
- Шум і вібрація: Вірогенератори можуть створювати шум і вібраційні навантаження, що може бути незручним для мешканців і навколишнього середовища.
- Ремонт і обслуговування: Необхідність періодичного ремонту та заміни акумуляторів збільшує загальні витрати.
Що найкраще використовувати для економічного опалення будинку і скільки кВт енергії на це буде потрібно?
Найкращим рішенням для опалення будинку є електрична тепла підлога. Це може бути:
Гріючий кабель
Нагрівальний мат
Інфрачервона плівка
- Більш детально про види електричних теплих підлог читайте в статті за посиланням
Монтується тепла підлога під будь-яке підлогове покриття (від заливки в бетон до укладання прямо під ламинат). Сама система опалення складається з окремих гріючих зон (кухня, ванна, кімната тощо), температуру в кожній з яких контролює терморегулятор. Тобто ви можете більш гнучко управляти обігрівом усього будинку, змінюючи температуру зонально або вимикаючи окремі приміщення зовсім.
Як розрахувати споживання електроенергії та потужність нагрівача?
Для основного обігріву приміщення необхідно закрити нагрівачем теплої підлоги до 70% від загальної площі. При цьому потужність самого нагрівача повинна складати 150 Вт/м².
Тобто 100 м² * 0,7 = 70 м² гріючої зони
70 м² * 0,15 кВт = 10,5 кВт на годину потужність нагрівача
Але тепла підлога не працює постійно: при прогріві приміщення вона входить у режим підтримання температури і споживає від 30 до 60 Вт з 1 м² гріючої зони.
Тобто споживання на обігрів 100 м² = 70 * 0,06 – 0,03 = від 4,2 кВт до 2,1 кВт залежно від утеплення приміщення.
Яка система генерації краща для опалення будинку?
Сонячні панелі для опалення будинку.
Використання сонячних панелей для опалення будинку є привабливою ідеєю для власників великих будинків, які прагнуть скоротити витрати на опалення та зменшити залежність від централізованих систем і дорогих енергоносіїв. Однак повністю вирішити цю проблему за допомогою сонячної електростанції непросто.
Продуктивність сонячних панелей за сезонами
Основна проблема полягає в тому, що найбільшу продуктивність сонячні електростанції демонструють у період із квітня по вересень. У цей період вони здатні виробляти до 70% річного обсягу електроенергії. В опалювальний же сезон, коли сонячних днів значно менше, вироблення енергії падає, забезпечуючи лише близько 30% від річного обсягу.
Приклад розрахунку для будинку площею 100 квадратних метрів
Для обігріву будинку площею 100 квадратних метрів потрібно приблизно
4,2 – 2,1 * 24 години = від 100,8 кВт до 50,4 кВт електроенергії на добу в режимі підтримання.
Оскільки потужність нагрівача для опалення 100 м² становить близько 10 кВт, то для прикладу візьмемо сонячну установку потужністю 10 кВт (це близько 30 панелей). Влітку в сонячний день генерація всіх 10 кВт/год (близько 80-100 кВт на добу з урахуванням нічного часу) не буде проблемою, але в зимовий період ефективність панелей знижується кратно і становить лише 10-15 кіловат-годин енергії на день. З цього випливає, що потужності тільки сонячних панелей для основного опалення будинку буде недостатньо.
Вітроустановка для живлення опалення (тепла підлога) у приватному будинку.
Як і у випадку з сонячними панелями (у несонячну погоду або вночі), коли знижується генерація, так і з вітряками — пориви вітру можуть бути мінімальними. Але на відміну від сонячних панелей, тією чи іншою мірою вітер присутній постійно. Для розрахунку середньої генерації (не плутайте з розрахунком потужності при виборі установки) можна використати примітивну формулу: потужність установки * 40% = середній вихід у кВт.
Візьмемо, як і в прикладі із сонячними панелями, вітрову турбіну потужністю 10 кВт * 40% = 4 кВт/год або 96 кВт на добу в середньому вироблення.
Висновок
Якщо взяти за основу виключно потенціал електрогенерації в зимовий період, то у вітряка він кратно вищий порівняно з сонячними панелями, оскільки взимку сонячна активність вкрай мала, а світловий день короткий. Тому для живлення теплої підлоги при автономному опаленні будинку продуктивніше використовувати вітряк.
- Як ідеальне рішення, варто скомбінувати вірогенератор, сонячну панель (чудово підійде для ситуації з сонячною і невітряною погодою) + паливний генератор (для страховки при падінні вироблення). Така система дасть повну автономію.
