Достоинства солнечных батарей и как рассчитать мощность: примеры расчетов для дома и дачи, основные положения

Плюсы и минусы альтернативной отопительной системы

Достоинств у солнечной системы обогрева не так много, но каждое из них весомо и может стать причиной для частных экспериментов:

• Экологические достоинства. Это безопасный для жильцов дома и окружающей природы, чистый источник тепла, не требующий применения традиционных видов топлива.
• Автономность. Владельцы систем абсолютно не зависят от цен на энергоносители и от экономической обстановки в стране.
• Экономичность. При сохранении традиционной отопительной системы появляется возможность снизить затраты на оплату горячего водоснабжения.
• Общедоступность. Для установки солнечных систем не нужно разрешения из государственных инстанций.

Но существует и неприятные моменты, способные испортить общую картину. Например, для определения эффективности работы системы потребуется продолжительный период – не менее 3 лет (при условии, что солнечной энергии достаточно и она используется активно).

Установка только солнечных модулей потребует больших вложений: самые дешевые кремниевые панели обойдутся не менее 2200 руб. за штуку, а поликристаллические шестидиодные элементы первой категории – до 17000 за штуку. Подсчитать стоимость 30 модулей довольно просто (+)

Пользователи отмечают следующие недостатки:

• высокие цены на оборудование, необходимое для запуска системы в эксплуатацию;
• прямая зависимость количества произведенного тепла от географического положения и погоды;
• обязательное наличие резервного источника, например, газового котла (на практике зачастую резервной оказывается гелиосистема).

Чтобы добиться большей отдачи, приходится регулярно следить за исправностью коллекторов, очищать их от мусора и беречь от образования наледи в заморозки. Если температура часто опускается ниже отметки 0ºС, нужно позаботиться о дополнительной теплоизоляции не только элементов гелиосистемы, но и дома в целом.

Как собрать солнечную батарею своими руками

Сборка корпуса солнечной батареи

Сборка солнечных батарей, а именно, корпуса может выполняться в разных вариантах. В первом случае ее можно сделать из фанерных листов и деревянных реек, поэтому такой монтаж не представляет особой сложности. Конструкции выпиливаются по размерам, а затем соединяются между собой саморезами. Все стыки и швы предварительно промазываются герметиком. Все деревянные части покрываются краской или специальными защитными составами. Дальнейшие работы проводятся только после полного высыхания конструкции.

Немного сложнее изготовить солнечную батарею из алюминиевого уголка. В этом случае сборка каркаса происходит в следующем порядке:

• Сборка из уголка прямоугольного каркаса.
• В каждом углу конструкции сверлятся отверстия под крепления.
• Внутренняя часть профиля по всему периметру покрывается силиконовым герметиком.
• Внутрь каркаса на обработанные места укладывается текстолит или оргстекло, вырезанные по размеру. Их нужно как можно плотнее прижать к уголкам.
• Внутри корпуса лист прозрачного материала фиксируется крепежными уголками, установленными по углам.
• Дальнейшие работы проводятся после полного высыхания герметика. Предварительно, все внутренние поверхности протираются от пыли и загрязнений.

Пайка проводов и соединение фотоэлементов

Все элементы для солнечных батарей отличаются повышенной хрупкостью и требуют аккуратного обращения. Перед началом пайки они протираются, чтобы поверхность была идеально чистой. Элементы с припаянными проводниками все равно следует проверить и устранить обнаруженные недостатки.

На каждой фотопластинке имеются контакты с различной полярностью. Вначале проводники припаиваются к ним, а уже потом соединяются между собой.

При использовании шин вместо проводов, необходимо учитывать следующие особенности:

• Шины размечаются и разрезаются на требуемое количество полосок.
• Контакты пластин протираются спиртом, после чего на них наносится тонкий слой флюса, с одной стороны.
• Шина прикладывается по всей длине контакта, после чего по ней нужно провести разогретым паяльником.
• Пластина переворачивается, и такая же операция повторяется на другой стороне.

Паяльник во время монтажа нельзя сильно прижимать к пластине, иначе она может лопнуть. На лицевой стороне после пайки не должно оставаться неровностей. Если они остались, нужно еще раз пройти паяльником по шву.

Чтобы не ошибиться с размещением пластин, перед тем как их собирать, на поверхность листа рекомендуется нанести разметку с учетом всех размеров и зазоров. После этого фотоэлементы укладываются на свои места. Затем контакты панелей соединяются между собой с обязательным соблюдением полярности.

Нанесение герметизирующего слоя

Перед тем как самому герметизировать конструкцию, нужно выполнить тестирование и проверить солнечные батареи на работоспособность. Она выносится на солнце, после чего на выводах шин замеряется напряжение. Если оно в пределах нормы, можно приступать к нанесению герметика.

Один из наиболее подходящих вариантов предполагает следующие действия:

• Силиконовый герметик наносится на самодельные солнечные батареи капельками по краям корпуса и между пластинами. После этого края фотоэлементов аккуратно прижимаются к прозрачному основанию и должны прилегать к нему как можно плотнее.
• На каждый край пластинок укладывается небольшой груз, после чего герметик полностью высыхает, а фотоэлементы надежно фиксируются.
• В самом конце аккуратно промазываются края рамки и все стыки между пластинами. На данном этапе герметиком покрывается все, кроме самих пластинок, он не должен попасть на их оборотную сторону.

Окончательная сборка солнечной панели

После всех операций остается лишь полностью собрать солнечную батарею в домашних условиях.

В этом случае порядок действий будет следующий:

• В боковой части корпуса устанавливается соединительный разъем, к которому подключаются диоды Шоттки.
• С лицевой стороны вся сборка пластинок солнечной батареи закрывается прозрачным защитным экраном и герметизируется, чтобы исключить попадание влаги внутрь конструкции.
• Для обработки лицевой стороны рекомендуется использовать специальный лак, например, PLASTIK-71.
• После сборки выполняется окончательная проверка, после чего солнечная батарея из подручных средств сделанная своими руками может устанавливаться на свое место.

Как сделать солнечную батарею своими руками

Повер банк с солнечной батареей

Обзор солнечных батарей для туристов

Установка солнечных батарей

Солнечные батареи: альтернативная энергия

Производство солнечных батарей

Виды преобразующих панелей

Существует несколько видов батарей, отличающихся конструктивными особенностями, процентным соотношением преобразования солнечного света. Они обладают следующими характеристиками:

1. Панели на основе кремниевых фотоэлементов являются наиболее распространенными, представляют порядка 80% от общего объема создаваемых устройств. Добыча кремния и создание легирующего покрытия является дорогостоящей процедурой, но в настоящее время стоимость таких производственных процессов постепенно уменьшается. Кремний не является редким элементом земной коры. В ближайшем будущем именно батареи, основанные на нем, будут применяться повсюду. Существенный недостаток заключается в небольшом коэффициенте светопоглощения, т. к. кремний относится к непрямозонным полупроводникам. Готовые фотоэлементы в результате имеют увеличенную толщину, а устройство много весит.
2. Отличительная черта панелей тонкопленочного типа — повышенный в сравнении с предыдущим вариантом коэффициент светопреобразования. Фотоэлементы (прямозонные полупроводники) толщиной всего в пару микрон вырабатывают достаточное количество энергии. Масса обозначенных панелей незначительная, они часто устанавливаются на жилых домах, автомобилях. Основное преимущество тонкопленочных батарей заключается в возможности эффективно функционировать даже в пасмурную погоду.
3. Концентраторные модули отличаются самой большой эффективностью (порядка 45%), но их также отличает высокая цена. Конструктивно фотоэлементы представлены одновременно полупроводниками нескольких видов, выстроенных в определенной последовательности. Часто применимая схема представлена дорожкой-полупроводником Ge, верхним слоем GaInP, средним слоем GaAs. Такие пласты расположены особым образом, за счет чего солнечная энергия эффективно усваивается в пасмурную и в ясную погоду. Особенность заключается в сложной сборке концентраторных модулей, требующей максимальной точности.
4. Батареи органического типа находятся в разработке, в продаже их невозможно встретить. Их фотоэлементы работают аналогично фотосинтезу растений. На их поверхность нанесен тончайший слой светочувствительной краски.
5. Фотоэлектрические преобразователи, основанные на монокристаллическом кремнии (эффективность порядка 20%). В этом случае основу фотоэлемента представляет монокристалл из очищенного кремния, выращенный из специального кремниевого сплава. В готовом виде монокристаллы представлены стержнями кубической формы. Далее полученный куб разделяется на пластины не более чем в 180 Мк толщиной. Полученные детали тщательно очищаются, проходят процесс армирования специальным защитным слоем. Поверхность металлизируется, обрабатывается антирефлексивным веществом.
6. Фотоэлектрические панели, работающие на поликристаллическом кремнии (КПД — около 15%). Этот материал добывается при переработке кремниевого остывшего расплава. Процесс образования рабочих стержней продолжительный, т. к. расплав происходит при низкой температуре, но значительно проще в сравнении с формированием монокристаллов.
7. Батареи фотоэлектрического типа на аморфном кремнии (эффективность — 10%). Основной компонент добывается по принципу испарительной фазы, когда пленка из кремния закрепляется на несущем материале, армируется специальным компонентом для обеспечения защиты. Преимущество заключается в производстве панелей масштабных площадей, малой себестоимости. Из отрицательных моментов отмечается незначительный эксплуатационный ресурс, причиной чему служит ускоренная деградация.

Пиковая нагрузка и среднесуточное энергопотребление

Количество солнечных батарей и емкостью аккумулятора зависит от нескольких критериев. Например, мощность сети электропотребления и расположение модуля. На основании этого подбирается инвертор. Количество панелей также напрямую зависит от региона – чем меньше поступает радиации на поверхность, тем выше суммарная площадь панелей.

Для этого необходимо рассчитать количество пиковых часов за сутки (время, при котором уровень солнечной энергии не падает ниже отметки в 1000 Вт/м2). Затем на основании полученных расчетов определяется суммарную мощность электростанции, в зависимости от мощности одного фотоэлемента за время пиковой нагрузки.

Посмотрите обучающие видео: Как вычислить мощность солнечной системы для частного дома?

Виды солнечных батарей

Кроме размера и мощности, панели отличаются способом, которым изготавливаются из кремния отдельные элементы.

Элементы из монокристаллического кремния

Элементы солнечных батарей, изготовленные из монокристаллического кремния, имеют форму квадрата с закругленными углами. Это связано с технологией изготовления:

• из расплавленного кремния высокой степени очистки выращивается кристалл цилиндрической формы;
• после остывания у цилиндра обрезаются края, и основание из круга принимает форму квадрата с закругленными углами;
• получившийся брусок разрезается на пластины толщиной 0,3 мм;
• в пластины добавляются бор и фосфор и на них наклеиваются контактные полоски;
• из готовых элементов собирается ячейка батареи.

Готовая ячейка закрепляется на основании и закрывается стеклом, пропускающим ультрафиолетовые лучи или ламинируется.

Такие устройства отличаются самым высоким КПД и надежностью, поэтому устанавливаются в важных местах, например, в космических аппаратах.

Фотоэлементы из мульти-поликристаллического кремния

Кроме элементов из цельного кристалла, есть устройства, в которых фотоэлементы изготавливаются из поликристаллического кремния. Технология производства похожа. Основное отличие в том, что вместо кристалла круглой формы используется прямоугольный брусок, состоящий из большого количества мелких кристаллов различных форм и размеров. Поэтому элементы получаются прямоугольной или квадратной формы.

В качестве сырья берутся отходы производства микросхем и фотоэлементов. Это удешевляет готовое изделие, но ухудшает его качество. Такие устройства имеют меньший КПД – в среднем 18% против 20–22% у монокристаллических батарей. Однако вопрос выбора достаточно сложный. У разных производителей цена одного киловатт мощности монокристаллических и поликристаллических панелей может быть одинаковой или в пользу любого вида устройств.

Фотоэлементы из аморфного кремния

В последние годы распространение получили гибкие батареи, которые легче жестких. Технология их изготовления отличается от технологии изготовления моно- и поликристаллических панелей – на гибкую основу, обычно стальной лист, напыляются тонкие слои кремния с добавками до достижения необходимой толщины. После этого листы разрезаются, к ним приклеиваются токопроводящие полоски и вся конструкция ламинируется.

КПД таких батарей примерно в 2 раза меньше, чем у жестких конструкций, однако, они легче и более прочные за счет того, что их можно сгибать.

Такие приборы дороже обычных, но им нет альтернативы в походных условиях, когда основное значение имеет легкость и надежность. Панели можно нашить на палатку или рюкзак, и заряжать аккумуляторы во время движения. В сложенном виде такие устройства похожи на книгу или свернутый в рулон чертеж, который можно поместить в футляр, напоминающий тубус.

Кроме зарядки мобильных устройств в походе, гибкие панели устанавливаются в электромобилях и электросамолетах. На крыше такие приборы повторяют изгибы черепицы, а если в качестве основы использовать стекло, то оно приобретает вид тонированного и его можно вставить в окно дома или теплицу.

Устройство и действие солнечной батареи

Когда-то пытливые умы открыли для нас природные вещества, вырабатывающие под воздействием частиц света солнца, фотонов, электрическую энергию. Процесс назвали фотоэлектрическим эффектом. Ученые научились управлять микрофизическим явлением. На основе полупроводниковых материалов они создали компактные электронные приборы – фотоэлементы.

Производители освоили технологию объединения миниатюрных преобразователей в эффективные гелиопанели. КПД панельных солнечных модулей из кремния широко производимых промышленностью 18-22%.

Из описания схемы наглядно видно: все комплектующие элементы электростанции одинаково важны – от их грамотного подбора зависит согласованная работа системы (+)

Из модулей собирается солнечная батарея. Она является конечным пунктом путешествия фотонов от Солнца до Земли. Отсюда эти составляющие светового излучения продолжают свой путь уже внутри электрической цепи как частицы постоянного тока.

Они распределяются по аккумуляторам, либо подвергаются трансформации в заряды переменного электротока напряжением 220 вольт, питающего всевозможные домашние технические устройства.

Солнечная батарея представляет собой комплекс последовательно соединенных полупроводниковых устройств — фотоэлементов, преобразующих солнечную энергию в электрическую

Изготовление в домашних условиях

Комплексная гелиосистема потребует немалого вложения средств. Но все потраченные деньги вернутся в будущем. Срок окупаемости в зависимости от количества модулей и способов использования солнечной энергии будет разниться. Но все же можно уменьшить первоначальные расходы не за счет потери качества, а за счет разумного подхода к выбору компонентов солнечной батареи.

Если вы неограничены в площади установки солнечных модулей, и в вашем распоряжении есть приличное пространство, то на 100 кв. м вы можете установить поликристаллические солнечные батареи. Это позволит сэкономить немалую сумму в семейном бюджете.

Не старайтесь покрыть полностью крышу солнечными батареями. Для начала установите пару модулей и подключите к ним ту технику, которая работает от постоянного напряжения. Нарастить мощность и увеличить количество модулей можно всегда со временем.

Если вы ограничены в бюджете, то можете отказаться от установки контроллера – это вспомогательный элемент, который необходим для отслеживания уровня заряда батареи. Вместо него, можно дополнительно подсоединить к системе еще один аккумулятор – это позволит избежать перезаряда и увеличит емкость системы. А для контроля заряда можно использовать обычные автомобильные часы, которыми можно измерять напряжение, да и стоят они в разы дешевле.

Принцип действия

Принцип работы автомобиля на солнечных батареях основан на преобразовании солнечной энергии в электрическую, которая является источником питания электрического двигателя на солнечных батареях, устанавливаемого на автомобиле.

Принцип преобразования энергии солнца в электрическую энергию основан на «p-n проводимости», создаваемой в элементах солнечной батареи, изготавливаемой из двух слоев кремния, с добавлением различных веществ.

Процесс образования электрического тока приведен на ниже приведенной схеме: 

1. В верхний слой, при его изготовлении, добавляется фосфор, это «n» слой, а в нижний – бор, это «р» слой. На границе слоев образуется «р-n переход», который определяет «р-n проводимость» фотоэлемента, из определенного количества которых, состоит солнечная батарея.
2. Под воздействием солнечных лучей, в верхнем слое, образуется дополнительное количество отрицательно заряженных электронов, а в нижнем – положительно заряженных («дырок»). Наличие дополнительного количества разно заряженных частиц создает электрическое поле между слоями, образуется разность потенциалов. В этом случае, при наличии нагрузки между электродами, присоединенными к верхнему и нижнему слоям, в цепи протекает электрический ток, при этом отрицательно заряженные частицы движутся вверх, а положительно заряженные – вниз.

Если в качестве нагрузки подключить электрический двигатель, с установкой дополнительных электронных устройств, обеспечивающих нормальный режим работы в различных режимах эксплуатации и определенного количества аккумуляторов, отвечающих за запас электрической мощности, то подобная схема, может служить приводом для механической передачи, в том числе и для передвижения автомобиля.

Обустройство аккумуляторного энергоблока

Чтобы правильно подобрать аккумуляторы для солнечных батарей, необходимо учесть такие правила:

1. Аккумуляторные батареи для электростанций на солнечной энергии должны иметь маркировку «SOLAR». Ни в коем случае нельзя использовать стандартные аккумуляторы для автомобилей.
2. Мощность батарей и другие их рабочие характеристики должны быть одинаковыми, идеально, если все приборы будут из одной партии.
3. Для установки солнечной батареи в частном доме необходимо выбрать теплое помещение. Максимальное количество энергии гелиостанция вырабатывает при температуре воздуха порядка 25 ℃. Если же температура воздуха опустится до -5 ℃, батарея будет работать всего на 50% мощности.

Например, при использовании аккумуляторной батареи с напряжением в 12 вольт и емкостью 100 А·ч, можно запитать оборудование общей мощностью в 1200 Вт, которая будет работать в течение часа. Однако в таком случае в конечном итоге батарея окажется полностью разряженной. Такого допускать ни в коем случае не стоит.

Примечательно, что долговечность аккумуляторов на солнечной энергии будет обеспечена лишь в том случае, если их не будут разряжать ниже 70 %, максимум – не ниже 50 %. Если взять усредненное значение, скажем, в 60 %, то можно расходовать по 720 Вт/ч на каждые 100 А·ч емкости аккумулятора (1200×60 %).

В то же время, если установлено слишком много аккумуляторных батарей, они будут постоянно недополучать уровень заряда. Это пагубно скажется на их долговечности. Лучше всего, если установлено столько аккумуляторов солнечной электростанции, чтобы хватало для снабжения потребители энергии в течение 1 суток.

Вычислить необходимую общую емкость аккумулятора можно, найдя кратное между суточным потреблением энергии (12000 Вт) и энергозапасом (720 Вт/ч), умноженное на 100 А·ч:

12000/720×100 ≈ 1600 А·ч.

Расчеты показали, что для бесперебойной работы солнечной подстанции необходимо либо 16 батарей по 100 А·ч, либо 8 по 200 А·ч, которые подключены последовательно-параллельно.

Виды

Сегодня различные виды солнечных батарей набирают все большую популярность. На первый взгляд, может показаться, что все солнечные модули одинаковые: большое количество отдельных маленьких фотоэлементов соединены между собой и закрыты прозрачной пленкой. Но, в действительности, все модули отличаются по мощности, конструкции и размерам. И на данный момент производители поделили гелиосистемы на два основных типа: кремниевые и пленочные.

Для бытовых целей устанавливаются солнечные батареи с фотоэлементами из кремния. Они являются на рынке самыми популярными. Из которых можно также выделить три вида – это поликристаллические, монокристаллические, о них уже было рассказано более подробно в статье, и аморфные, на которых остановимся подробнее.

Аморфные – изготавливаются также на основе кремния, но, кроме того, имеют также и гибкую эластичную структуру. Но производятся не из кристаллов кремния, а из силана – другое название кремневодород. Из особенностей аморфных модулей можно отметить отличную эффективность даже при пасмурной погоде и возможность повторять любую поверхность. Но КПД значительно ниже – всего 5%.

Второй тип солнечных панелей – пленочные, вырабатывается на основе нескольких веществ.

• Кадмий – такие панели были разработаны еще в 70-х годах прошлого столетия и использовались в космосе. Но на сегодняшний день кадмий применяется также и при производстве промышленных и бытовых солнечных электростанций.
• Модули на основе полупроводника CIGS – разработаны из селенида меди, индия и представляют собой пленочные панели. Индий также широко используется при производстве жидкокристаллических мониторов.
• Полимер – также используется при производстве солнечных пленочных модулей. Толщина одной панели около 100 нм, но КПД остается на уровне 5%. Но из плюсов можно отметить, что такие системы имеют доступную цену и не выделяют вредные вещества в атмосферу.

Но также на сегодняшний день на рынке представлены менее громоздкие переносные модели. Они специально разработаны для использования во время активного отдыха. Зачастую такие солнечные батареи используются для подзарядки портативных устройств: небольших гаджетов, мобильных телефонов, фотоаппаратов и видеокамер.

Портативные модули делятся на четыре вида.

• Маломощные – дают минимальный заряд, которого хватает для подзарядки мобильного телефона.
• Гибкие – могут сворачиваться в рулон и имеют небольшой вес, благодаря этому и обусловлена большая популярность среди туристов и путешественников.
• Закрепленные на подложке – имеют значительно больший вес, примерно 7-10 кг и, соответственно, дают больше энергии. Такие модули специально разработаны для использования в дальних автомобильных поездках, а также могут использоваться для частичного автономного снабжения энергией загородного домика.
• Универсальные – незаменимы в пешем туризме, устройство имеет несколько переходников для одновременного заряда различных устройств, вес может достигать 1,5 кг.

Обогрев дома солнечными батареями коллекторного типа

По своей сути коллекторы действительно схожи с солнечными батареями, поскольку улавливают прямые солнечные лучи. Исключением для вторых являются тонкопленочные пластины, выдающие ток от рассеянного света. Что касается коллекторов, то для нагрева воды жаркое солнечное излучение нужно плоским моделям. Единственный вариант, активно поставляющий в трубы отопительной системы горячую воду всю зиму, даже при плотной облачности – вакуумные коллекторы. Именно вакуум сберегает драгоценное тепло.

Если вы решите брать вакуумный вариант, в этом случае вам также предстоит выбор – модели прямого нагрева воды или косвенного. Первые считаются сезонными, поскольку накопительный бак расположен непосредственно в корпусе коллектора, и трубки с двойной оболочкой, внутри которой вакуумная среда, соединяются с емкостью напрямую. В зимнее время такие модели использоваться не могут, вода в них замерзает.

Другое дело – обогрев дома солнечными батареями коллекторного всесезонного типа. Они будут работать даже при -50 градусах и облачном покрове, поскольку накопительный бак установлен в доме. Такая система действует благодаря жидкости-теплоносителю, движущейся по трубам между спиралями, расположенными внутри бака, и коллектором. В сердечники вакуумных трубок залита та же жидкость. Вода же только в накопителе, из него она по трубам течет в батареи.

Чистый доход от солнечных батарей

Во многих зарубежных странах вы можете продавать излишки электроэнергии. В России с помощью солнечных батарей вы пока можете только экономить электроэнергию.

Более радикальным методом будет замена счётчика на специальный двунаправленный, который раздельно считает потребление и генерацию. К сожалению, такие счётчики намного дороже и в основном трехфазные. Однофазные двунаправленные счётчики в России практически не продаются.

Кстати, в большинстве штатов США владельцы солнечных батарей также не могут продавать излишки электроэнергии в сеть. Тем не менее, это не мешает им получать выгоду от своих солнечных электростанций на крыше домов.

В большинстве штатов США действует так называемая система Net Metering, которая позволяет вычесть отданную в сеть электроэнергию из потреблённой. Разница не может быть отрицательной. Обычно при такой системе потребители платят абонентскую плату (около 100 долларов в год), которая требуется электросетям для поддержания линий электропередачи и другого распределительного оборудования в рабочем состоянии.