“Солнечное электричество” для частного дома

Солнечное излучение представляет собой бесплатный и практически неиссякаемый источник энергии, популярность которого быстро растет в последнее время. В процессе создания энергетических систем на его основе в жилом секторе решающее значение приобретают такие факторы как:

• достаточно высокая мощность: на широте Москвы мощность потока солнечной энергии достигает почти 1 кВт/м², увеличиваясь на 30% в южных регионах (Крым, Ставрополье, Краснодар);
• экологическая чистота: выработка на солнечной электростанции 1000 кВтч экономит четверть тонны дизельного топлива;
• отсутствие необходимости в дополнительных площадях: панели солнечной батареи могут располагаться на крыше и стенах зданий.

Принцип действия и варианты исполнения

Первый вопрос, который часто возникает при знакомстве с источниками солнечной энергии, формулируется традиционно: как работают солнечные батареи? Их замечательной особенностью является отсутствие подвижных частей: электрический ток вырабатывается в результате прямого преобразования света. Выполняющий эту процедуру элемент в простейшем случае состоит из двух контактирующих между собой слоев полупроводника с разным типом проводимости. При попадании излучения на поверхность такой структуры между его слоями образуется разность потенциалов, которую снимают с помощью контактов. Полупроводник n-типа выполняет функции катода, а p-типа работает анодом.

В качестве материала ячейки применяется:

• дорогой монокристаллический кремний с повышенным КПД (панели черного цвета);
• более дешевый и менее эффективный поликристаллический кремний (панели синего цвета);
• бюджетные тонкопленочные аморфные кремниевые соединения.

Данные материалы перечисолены в порядке убывания эффективности преобразования света в ток и стоимости.

Из-за сравнительно невысокого отдаваемого тока и малой величины генерируемого напряжения элементы соединяются последовательно, а необходимая мощность, снимаемая с панели, достигается параллельным соединением таких цепочек.

Главным недостатком солнечных элементов как источника энергии считается их сравнительно невысокий КПД: обычно в районе 15%, достигая примерно 20% при отказе от кремния в пользу многокомпонентных соединений иных материалов. Кроме состава ячеек, КПД солнечных батарей зависит от качества изготовления пластин, формы их исполнения и температуры.

Конструктивные особенности солнечной электроустановки

Солнечная батарея представляет собой сравнительно легкие и довольно тонкие плоские конструкции, которые можно без проблем устанавливать на любой подходящей плоской поверхности, в том числе на крыше или стене. Монтаж не представляет больших проблем, т.к. каркас качественной панели выполняется обычно из алюминиевого профиля. Внутри каркаса находятся отдельные фотоячейки, соединенные между собой проводами. Необходимую механическую стабильность набираемой из них структуре придают ребра жесткости, внешняя поверхность закрывается обычным или закаленным стеклом. Для герметизации внутреннего объема панели используется тонкая ламинирующая пленка, иногда дополняемая заливкой компаундом.

Солнечные элементы вырабатывают постоянный ток, для увеличения напряжения которого их соединяют последовательно. Стандартными считаются блоки с выходным напряжением 18 или 24 В. Для его преобразования в бытовое 50-герцовое переменное 220-вольтовое напряжение привлекается конвертор с управляющим контроллером ШИМ- или МРРТ-типа. Колебания мощности, отдаваемой во времени (ночь, плохая погода), сглаживаются применением батарей химических аккумуляторов.

Подбор гелиоустановки и расчет количества панелей

В процессе выбора солнечной батареи для дома учитываются несколько основных параметров.

• количество панелей, которое зависит от требуемой мощности и периода эксплуатации;
• тип используемого фотоэлемента;
• монтажные и эксплуатационные характеристики.
• стоимость и эксплуатационные расходы.

Точно рассчитать количество солнечных батарей для частного дома может только специалист, который учитывает в процессе проектирования ряд особенностей установки. Тем не менее, не составит большого труда осуществить сравнительно точную оценку этого параметра.

Процедура расчета дает ответ на вопрос о том, а сколько панелей нужно для частного дома, и заключается в следующем. На первом шаге с помощью электросчетчика определяется месячный расход электричества, а затем делением на 30 вычисляется суточное потребление электроэнергии.

Далее вступает в дело статистика. Установлено, что киловаттная солнечная батарея на широте Москвы вырабатывает в месяц в среднем 90 кВт*ч, функционируя в период с мая по август включительно в своем оптимальном режиме 6 часов в день. Расчет мощности показывает, что типовая 250-ваттная панель с площадью поверхности 1,7 м² вырабатывает в сутки 1,5 кВт*ч энергии. Кроме того, необходимо учесть неизбежные потери в системе, которые компенсируются изначальным 1,5-кратным запасом по мощности.

Наличие этих исходных данных позволяет определить количество панелей.

Проиллюстрируем алгоритм расчета примером.

Система эксплуатируется в летнее время. Пусть за месяц потребление электричества составило 300 кВт*ч, что дает дневной расход в 10 кВт*ч. Далее определяем число панелей при их круглосуточной работе в летний период и в идеальном случае как 10 кВт*ч/1,5 кВт*ч = 7 штук.

Фактическое количество панелей с паспортной мощностью 250 Вт с учетом необходимых запасов составит 7×1,5 = 11 штук.

При использовании не только в летнее время число панелей увеличивается:

• с марта по октябрь – в два раза;
• круглогодично – в 8 раз.

Мероприятия по оптимизации солнечной установки

При всех достоинствах солнечной энергетики и внедренных в практику достижениях этот вид техники является достаточно затратным. На практике используется довольно большое количество приемов, которые позволяют ощутимо снизить финансовую нагрузку на проект. Они направлены на уменьшение числа панелей как самой дорогой составляющей и делятся на две основные группы.

Первая группа решений направлена на оптимизацию самой установки. Уменьшить количество панелей можно:

• правильной ориентацией и выбором оптимального угла наклона;
• устранением теней;
• уменьшением температуры за счет монтажа с зазором от крыши или на консолях при настенной установке;
• регулярной очисткой защитного стекла от пыли и прочих загрязнений.

Второе направление основано на энергосбережении. Некоторые из наиболее очевидных мероприятий этой группы:

• замена ламп накаливания на энергоэффективные;
• применение бытовой техники (в первую очередь холодильника) группы А;
• установка холодильника с зазором от стены.

Монтаж

Современная гелиотехника для индивидуального жилого строительства хорошо отработана в техническом отношении и ее монтаж не вызывает проблем. Установить солнечную батарею в своем доме можно:

• сделав заказ в специализированной организации;
• своими силами.

Самостоятельное проектирование и последующий монтаж экономит семейный бюджет, но занимает определенное время и требует довольно глубоких значений в части электрики.

При выборе самостоятельного пути в процессе разработки структуры солнечной электростанции в ее составе обязательно предусматриваются:

• аккумуляторная батарея достаточной емкости;
• конвертор с необходимой мощностью;
• управляющий контроллер.

Опасность перегрузки конвертора может устраняться его подключением к выделенной сети с определенными потребителями (система освещения, холодильник).

Чисто механически сборка сводится к соединению отдельных панелей в единую систему с помощью кабелей и их подключения вместе с буферной аккумуляторной батареей к конвертору и контроллеру.

Схема установки солнечных батарей должна быть продумана заранее. В процессе ее разработки необходимо обеспечить:

• изменения углов установки панелей (при круглогодичной эксплуатации) в летний и зимний режимы (при круглогодичной эксплуатации);
• эффективное воздушное охлаждение за счет свободной вентиляции панелей;
• простоту очистки верхней поверхности от пыли и снега (при зимней эксплуатации).

• Инженерные коммуникации