В чем преимущества использования солнечных батарей в космосе

Преимущества солнечных систем и особенности их проектирования и монтажа

Для того, чтобы система на возобновляемых источниках энергии стала действительно эффективной для вашего частного дома – необходимо провести тщательный расчет. Прежде всего определяется необходимый уровень энергопотребления в доме, рассчитывается суммарная мощность всех бытовых приборов и их максимальная нагрузка. Затем рассчитывается максимально возможная эффективность предполагаемых к использованию солнечных батарей и их площадь. Возможно, потребное количество батарей для добычи солнечной энергии просто не поместятся на крыше вашего дома и вам придется подыскивать дополнительные источники энергии или другие площади для размещения.

чертеж коллектора

В любом случае – система с энергоснабжением от солнечной энергии должна иметь резервный источник питания, что позволит вам не зависеть от капризов погоды.

Аналогичный подход необходимо применить и при проектировании солнечных систем отопления. Производители как правило указывают возможность солнечных отопительных коллекторов по работе в определенных температурных условиях. Не стоит пренебрегать этими сведениями. И опять же – на случай длинной зимней и пасмурной непогоды ваш дом должен быть оборудован альтернативным источником теплоснабжения – это может быть любой отопительный котел на ваш выбор, начиная от традиционной русской каменной печи на дровах, оканчивая новомодными электрическими бойлерами.

При разумном сочетании новшеств в области теплоснабжения и традиционного, проверенного временем подхода вы сможете в полной мере насладиться всеми преимуществами солнечной энергии, достающейся нам абсолютно даром.

Стандартные комплекты

Современный рынок предлагает различные солнечные батареи для дачи от заграничных производителей, а также солнечные панели российского производства, исходя из вашего семейного бюджета и сложности поставленных задач.

1. Экономвариант. Если предполагается регулярно использовать гелиопанели для периодической зарядки блоков питания аккумуляторных инструментов, ноутбука и смартфона — мощности в 100–200 Вт вам будет вполне достаточно. В комплекте поставляется один 12-вольтовый аккумулятор на 100 А/ч, PWM контроллер и инвертор.
2. Стандарт. В дачный период с марта по ноябрь на даче будет:
   • светодиодное освещение,
   • зарядка ноутбуков и смартфонов,
   • работать холодильник и телевизор.

   Все это сможет обеспечить панель мощностью 300–600 Вт. МРРТ контроллер на 24 вольт, 1 киловатный инвертор и два аккумулятора по 200 А/час.

3. Макси. В случае отсутствия полноценного электроснабжения от центральных электросетей его способна заменить максимальная комплектация.
   • Панель мощностью 1.5–3.0 кВт/ч;
   • Контроллер ММРТ (48 В);
   • Аккумулятор 48 вольт емкостью 400 А/час;
   • Синусоидальный 10 киловатный ИБП.

Виды батарей

Существует несколько разновидностей панелей, работающих от солнца:

• Батареи на основе кремния. Они изготавливаются методом выращивания монокристаллов из чистых кремниевых частиц, в процессе которого расплав затвердевает, контактируя с кристаллической затравкой. Кремний, охлаждаясь, застывает в специальной форме диаметром от 12 до 20 сантиметров. Слиток, полученный таким способом, нарезается на пластины толщиной до 300 микрон. Эти элементы показывают высокий КПД – до 19 процентов, что достигается особой ориентацией частиц монокристалла, способствующей увеличению активности электронов. Внутри батареи пластины кремния пронизаны металлическими электродами, по которым движется ток.
• Тонкопленочные панели. Технологии производства тонкопленочных элементов позволяют получить панели, чья стоимость дешевле, по сравнению с приборами из кремния. Поэтому пленочные модули используются для сборки крупных солнечных электростанций, когда владелец оборудования имеет ограничения, связанные не только с площадью земли, но и с ценой установки. Такие батареи устанавливаются не только на крышу, но и на стены зданий.
• Панели на основе аморфного кремния – эти модули показывают низкий КПД, не превышающий 8%. Однако они позволяют получать самую доступную по стоимости электроэнергию, по сравнению с другими кремниевыми преобразователями.
• Панели из теллуида кадмия изготавливаются посредством пленочных методов. Слой полупроводника составляет 2–3 сотни микрон. Производительность кадмиевых батарей составляет 11%. Зато эти модули обеспечивают дом энергией по более низкой цене, в отличие от кремниевых устройств.
• Панели, созданные из многокомпонентных полупроводников CIGS. Эти элементы состоят из индия, галлия, меди, силена. Данная разновидность батарей также производится пленочным способом, но по сравнению с кадмиевыми панелями, в процессе использования показывает более высокую производительность – КПД достигает 15%.

Энергия приливов и волн

Мировой океан аккумулирует энергию в разных видах: энергию биомассы, энергию приливов и отливов, энергию океанических течений, тепловую энергию и др. Проблема заключается в том, чтобы найти экономически и экологически приемлемые способы ее использования. По прогнозным оценкам доступная часть энергии Мирового океана во много раз превышает уровень потребления всех энергетических ресурсов в мире.

По оценкам Ocean Energy Systems, к 2050 г. с помощью подобных технологий можно будет вырабатывать 300 ГВт – это столько же, сколько бы производили 250 ядерных реакторов. А UK Carbon Trust прогнозирует, что к тому времени уже возникнет всемирный рынок приливной энергии стоимостью 126 млрд фунтов стерлингов.

В Японии протестировали устройство, которое генерирует электроэнергию из океанических течений. Испытание установки было проведено на юго-западе префектуры Кагошима. Течения у Кагошимы постоянны по силе и направлению. Турбина экспериментального генератора была установлена на уровне 20-50 м под поверхностью воды. Генератор развил мощность производства электроэнергии всего 30 кВт. Конечно, это немного, но главное – изобретение работает. Ученые полагают, что такой метод генерации электричества может быть более стабильным, чем солнечная энергетика. Организация по разработке новых энергетических и промышленных технологий NEDO надеется внедрить эту технологию в промышленное использование к 2020 г.

В США извлекают энергию из волн.

Исследователи Технологического института Джорджии разработали устройство, преобразующее в электричество энергию волн океана очень широкого диапазона частот. Энергия волн океана — самая слаборазвитая отрасль чистой энергетики. Хотя океан потенциально способен обеспечить энергией весь мир, пока что не существует экономически выгодного способа ее извлечения. Основная проблема в том, что океанские волны непостоянны и колеблются с низкой частотой, тогда как большинство генерирующих устройств лучше всего работают с постоянной амплитудой и высокой частотой.

В прошлом году в проливе Пентленд-Ферт на северном побережье Шотландии началась первая фаза строительства крупнейшей в мире приливной электростанции MeyGen, итоговая мощность которой может достичь 398 МВт. Станция способна обеспечить электричеством 175 тыс. домохозяйств. Возобновляемая энергия приливов стала одним из важнейших направлений новой энергетики, развиваемой в Шотландии. Шотландские приливы, одни из самых мощных в Европе, помогут развить эту многообещающую технологию и сократить выбросы углекислого газа. Шотландия планирует полностью (на 100%) перейти на возобновляемую электроэнергию уже в 2030 г. Достигнутый в 2016 г. уровень составил около 60%.

Аналогичные технологии применяются уже и в Северной Америке – на побережье Новой Шотландии. Эта провинция на северо-востоке Канады действительно напоминает Шотландию — и не в последнюю очередь благодаря высоким приливам.

В ноябре прошлого года там, в заливе Фанди начал работу первый в Северной Америке приливной электрогенератор. Он занимает пять этажей и весит тысячу тонн, его мощность – 2 МВт, что достаточно для питания 500 домов.

В области разработки новейших решений для использования энергии приливов лидирует Великобритания. Этому способствует идеальная схема приливов и благоприятная регулятивная среда. Канада, Китай и Южная Корея также демонстрируют устойчивый прогресс. США также являются одним из основных центров инноваций в данной сфере.

Основные плюсы – высокая экологичность и низкая себестоимость получения энергии.

К главным минусам приливных электростанций относятся высокая стоимость их строительства и суточные изменения мощности, из-за которых электростанции этого типа целесообразно использовать только в составе энергосистем, использующих также и другие источники энергии.

Виды альтернативных источников энергии

1. Солнечная энергия

Солнце — главный источник энергии на Земле, ведь около 173 ПВт (или 173 млн ГВт) солнечной энергии попадает на нашу планету ежегодно, а это более чем в 10 тыс. раз превышает общемировые потребности в энергии. Фотоэлектрические модули на крыше или на открытых территориях преобразуют солнечный свет в электрическую энергию с помощью полупроводников — в основном, кремния. Солнечные коллекторы вырабатывают тепло для отопления и производства горячей воды, а также для кондиционирования воздуха.

Солнечные панели могут вырабатывать энергию и в пасмурную погоду, и даже в снегопад. Для наибольшей эффективности их стоит устанавливать под определенным углом — чем дальше от экватора, тем больше угол установки панелей.

Зеленая экономика

Съедобная упаковка и солнечный парус: новинки космических эко-технологий

2. Энергия ветра

Использование ветра в качестве движущей силы — давняя традиция. Ветряные мельницы использовались для помола муки, лесопильных работ) и в качестве насосной или водоподъемной станции. Современные ветрогенераторы вырабатывают электроэнергию за счет энергии ветра. Сначала они превращают кинетическую энергию ветра в механическую энергию ротора, а затем в электрическую энергию.

Ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся технологий возобновляемой энергетики. По последним данным IRENA, за последние два десятилетия мировые мощности по производству энергии ветра на суше и на море выросли почти в 75 раз — с 7,5 ГВт в 1997 году до примерно 564 ГВт к 2018 году.

3. Энергия воды

Еще в древнем Египте и Римской империи энергия воды использовалась для привода рабочих машин, в том числе мельниц. В средние века водяные мельницы применялись в Европе на лесопильных и целлюлозно-бумажных предприятиях. С конца XIX века энергию воды активно используют для получения электроэнергии.

4. Геотермальная энергия

Геотермальная энергия использует тепло Земли для производства электричества. Температура недр позволяет нагревать верхние слои Земли и подземные водоемы. Извлекают геотермальную энергию грунта с помощью мелких скважин — это не требует больших капиталовложений. Особенно эффективна в регионах, где горячие источники расположены недалеко к поверхности земной коры.

5. Биоэнергетика

Биоэнергетика универсальна. Тепло, электричество и топливо могут производиться из твердой, жидкой и газообразной биомассы. При этом в качестве возобновляемого сырья используются отходы растительного и животного происхождения.

Зеленая экономика

Энергия из спирта и навоза: преимущества и недостатки биотоплива

6. Энергия приливов и отливов

Приливы и волны — еще один способ получения энергии. Они заставляют вращаться генератор, который и отвечает за выработку электричества. Таким образом для получения электроэнергии волновые электростанции используют гидродинамическую энергию, то есть энергию, перепад давления и разницу температур у морских волн. Исследования в этой области еще ведутся, но специалисты уже подсчитали — только побережье Европы может ежегодно генерировать энергии в объеме более 280 ТВт·ч, что составляет половину энергопотребления Германии.

Зеленая экономика

Как устроена самая мощная в мире приливная турбина

Как повысить эффективность солнечных батарей?

Для достижения максимально эффективной электрификации помещений:

• Перед покупкой и установкой батарей следует со стороной куда будут устанавливаться панели. Желательно делать это на южное направление.
• Для оценки освещенности лучше всего будет воспользоваться люксметром либо пригласить специалиста, который составит вам предварительную смету и рассчитает рентабельность системы.
• Рассчитайте окупаемость системы – если вы живете в Центральной России или в северных регионах, то установка аккумуляторных батарей будет неоправданно высока.

Если в живете в южном регионе, то солнечные панели отлично вам подойдут. Однако для оптимальной работы необходим корректный расчет и правильная установка.

Техника для сада

Если владельцы дачи или частного дома собираются часто пользоваться электрическим инструментом на улице – не обязательно покупать многометровые удлинители и разбрасывать их по всему участку. Можно обойтись вообще без подключения к сети, купив работающую на солнечных батареях электростанцию. Неплохие модели разной мощности выпускает компания EcoNRJ. В списке ее продукции есть решения на 300-1000 Вт, позволяющие зарядить телефон или запустить ноутбук, а также устройства на несколько киловатт для работы дрели, шуруповерта или насоса.

Солнечная электростанция, конечно, неплохое решение – но перетаскивать ее постоянно на новое место не всегда удобно. Поэтому, если есть такая возможность, стоит купить оборудование со своими работающими от солнца аккумуляторами.

Робот-газонокосилка Husqvarna Automower SolarHybrid

Одно из таких устройств – робот-газонокосилка Husqvarna Automower SolarHybrid. Правда, если ей не будет хватать солнечной энергии, она будет автоматически искать зарядную станцию. Среди других особенностей модели – встроенный GPS-модуль, контролирующий местоположение и перемещение косилки, модуль для отправки SMS в непредвиденных ситуациях и блокировка PIN-кодом в случае кражи.

Отсутствие электричества на даче или в доме – не повод для того чтобы купаться в холодной воде. Избежать простуды или просто обеспечить комфортные условия для купания поможет покупка душа с солнечной батареей. Выбор таких устройств такой же широкий, как светильников. Как правило, они выпускаются в виде сумок объемом 20-30 литров, которые можно брать с собой в дорогу – в продаже такие водонагреватели встречаются под названием «переносного душа» или «душа для кемпинга».

«Солнечный» водонагреватель обычно устанавливается на крыше летнего душа 

Если вам необходимо обустроить стационарный душ, стоит отдать предпочтение целой системе, в которой солнечная батарея устанавливается на крышу душевой кабины и способна обеспечить нагрев больше 100 литров воды. Среди таких систем – нагреватель XFS-II-20-170 на 170 л.

Срок службы солнечной батареи

Все кто устанавливает солнечные батареи для частного дома, в первую очередь берут во внимание срок их службы. Конечно, точной цифр не существует, но как показывает практика, минимальный эксплуатационный период составляет 20 лет

При условии, что будут соблюдаться правила эксплуатации:

Важно не допускать повреждение наружных панелей. Ведь все сколы, трещины, царапины ведут к потере герметичности всей солнечной батареи

Вследствие чего, проникновение влаги в корпус может спровоцировать короткое замыкание.
Проводить сезонное обслуживание солнечной батареи, а именно держать в чистоте внешние панели. Это дело лучше доверить специалистам, так как при неправильном обслуживании поверхность легко повредить.
Вокруг солнечных батарей рекомендуется установить ветрозащитное сооружение, а саму поверхность защитить специальной ламинирующей плёнкой.

Срок службы солнечной батареи будет соответствовать заявленному и даже выше, если как минимум, вышеперечисленные правила эксплуатации будут неукоснительно соблюдаться.

Способы монтажа бытовых гелиоустановок

В установке солнечных батарей нет ничего сложного. Самое главное — грамотно разместить модули

При монтаже важно придерживаться определенного угла наклона, который должен соответствовать географической широте местности. В процессе установки нужно также соблюдать азимут

Для северо-восточных он составляет 180 градусов.

Зимой КПД электростанции с солнечными батареями может упасть до минимальных значений, поскольку обильные снегопады будут препятствовать попаданию лучей солнца на наружную поверхность фотоэлектрических элементов

Поэтому при монтаже важно учесть, что на крыше потребуется свободное место для очистки конструкции от налипшего снега и грязи. Впрочем, этих хлопот можно избежать, если зафиксировать солнечные панели на поверхности южной стены под углом 60–80 градусов

На практике для коттеджей применяют разные варианты расположения фотоэлектрических модулей:

1. кровля — дополнительно потребуется установка надежной опорной конструкции из металлопрофилей или направляющих рельс;
2. стены — в данном случае на фасад здания монтируется рамная система для удержания фотопанелей «на весу»;
3. приусадебная территория — альтернативный вариант расположения батарей, когда кровля дома сильно затенена или не рассчитана на дополнительную нагрузку.

Свободное размещение имеет множество преимуществ, но требует наличия достаточного пространства на приусадебном участке. Чтобы автоматизировать процесс наклона и движения фотоэлектрических панелей по ходу солнца, дополнительно рекомендуется использовать специальные шарнирные конструкции с электроприводом.

Окупаемость и срок эксплуатации

Применение солнечных батарей позволит сэкономить на освещении и отоплении, независимо от времени года. Самые большие показатели энгергоэффективности гелиосистемы демонстрируют в южных широтах, где количество солнечных дней преобладает. Это и неудивительно, так как обязательным условием высокопродуктивной работы электростанции является стабильное поступление инфракрасного излучения и видимого света на поверхность фотоэлектрических элементов.

По статистике, солнечные батареи для частного дома мощностью 4–5 кВт при постоянном использовании окупают себя за 8–10 лет, после чего работают впрок. При этом срок эксплуатации составляет в среднем 20-25 лет, а вот аккумуляторные батареи придется менять через каждые 5-6 лет. Многим такие сроки окупаемости покажутся большими, но в действительности оно того стоит, учитывая, что в скором времени ископаемых ресурсов на планете практически не останется, а стоимость одного киловатта электроэнергии возрастет в разы.

Система солнечной электростанции

На картинке внизу показана типовая электростанция, работающая на солнечном свете. Она состоит из следующих элементов:

• солнечная панель (одна или несколько объединенных в единую систему) – собирает энергию и преобразует в электрическую;
• контроллер – нужен для оптимизации работы солнечных панелей, а также снижения потерь при транспортировке энергии по электросистеме станции;
• инвертор – преобразование постоянного тока в переменный;
• аккумулятор – собирает и сохраняет накопленную электроэнергию.

Система солнечной электростанции

Аккумулятор позволяет использовать накопленную за дневного время электроэнергию. Контроллер также предохраняет АКБ от перезарядки. Таким образом, при достижении на аккумуляторе максимального уровня заряда контроллер автоматически понижает напряжения до уровня, необходимого для сохранения заряда, не нагружая аккумулятор излишним напряжением. А инвертор необходим для того, чтоб бытовые приборы и осветительная сеть могли использовать электроэнергию, получаемую через батареи.

Виды

Монокристаллические

Такие батареи визуально выглядят как панели с сегментами глубокого черного цвета. Получили название за счет конструкции на основе монокристаллов кремния.

Самый существенный недостаток — строгая ориентировка оптических осей кристаллов, что требует точного позиционирования панелей для получения максимальной отдачи. По этой же причине монокристаллы не терпят затенения – генерация энергии значительно снижается.

В настоящий момент обладают самым высоким КПД преобразования – около 22%. При этом стоимость тоже наиболее высокая – порядка 0.9-1.1 доллара за 1 Вт генерируемой мощности.

Поликристаллические модули

Название такие батареи получили за счет размещения на подложке множества кремниевых кристаллов с хаотически ориентированными оптическими осями. Визуально такие модули отличаются синим цветом с «морозным» рисунком.

Аморфные

Технология изготовления рабочего тела сходна с поликристаллическими, но в качестве основы выступает аморфный кремний (aSi). При КПД в пределах 8-11% отличаются высокой эффективностью работы в рассеянном свете, могут захватывать и инфракрасный диапазон. В результате обладают лучшей стоимостью – порядка 0.5-0.7 доллара за 1 Вт.

Кроме того, имеют солидное преимущество – гибкую основу. Это означает, что для монтажа не требуется жестких конструкций, материал легко клеится на поверхности любой формы.

Остальные

Модули, предлагаемые производителями, могут быть изготовлены и по другим технологиям:

• Микроморфные, отличаются высокой отдачей при рассеянном и инфракрасном излучении.
• Гибридные, использует несколько полупроводниковых материалов и обеспечивают высокий КПД преобразования (до 44%).
• Полимерные, гибкие с подложкой из полимерных материалов, абсолютные лидеры по стоимости.

Такие предложения следует тщательно изучать, некоторые из них могут оказаться намного выгоднее, чем лидирующие на рынке панели, выполненные по стандартным технологиям.

Вообще, монокристаллические панели можно рекомендовать для установки только жителям южных регионов. Остальным следует выбирать поликристаллы или панели по другим технологиям.

Следует обращать внимание не только на технологию панелей, но и на качество. В маркировке оно отображается как Grade от A (самое высокое) до D

Кроме того, рекомендуется проверить и репутацию производителя, особенно, если он выпускает не собственную, а OEM-продукцию. Сделать это можно на сайтах лабораторий качества – Калифорнийской или Европейской TUV.

Популярные производители

Современный рынок предлагает большой выбор солнечных батарей для дачи.

Производителей много и зачастую сами панели мало отличаются друг от друга. Разве что товарным знаком и упаковкой. Сами фотоэлементы, как правило, китайского производства.

Yingli Solar Green Energy Holding

Можно сказать, что эта китайская компания — практически мировой лидер по производству солнечных модулей. 10% из всех панелей в мире выпускаются силами Yingli Solar. Панели от этой компании разошлись по всему миру. Они установлены во многих (порядка 90) странах. В производстве находятся не только стандартные панели, но есть и двусторонние. Также есть интегрированный варианты для крыш автомобилей, катеров и так далее.

Эта солнечная панель проверена временем, обладает качеством мирового уровня и заслуженным международным авторитетом.

Sanyo

Бытовая электроника японской корпорации Sanyo хорошо знакома жителям России.

Еще в далеком 1975 году компания запустила производство солнечных элементов на аморфном кремнии. С того времени фирма немало потрудилась над исследованиями в этой области. Теперь солнечные модули Sanyo известны своим качеством и высокой надежностью при длительной эксплуатации.

First Solar

Основатель американской компании — ученый Гарольд МакМастер, который посвятил свою жизнь исследованиям применения энергии солнца в быту.

Теперь компания — один из трех мировых лидеров по производству солнечных панелей. Основное направление деятельности First Solar — разработка и выпуск готовых солнечных электростанций.

Hanwha SolarOne

Hanwha Solar One — один из десяти лучших производителей солнечных фотоэлектрических комплектов. Головной офис компании находится в Сеуле, а промышленное производство развернуто в Южной Корее и Китае. Фирма выпускает:

• Фотоэлектрические элементы;
• Солнечные модули;
• Солнечные системы;
• Крупные солнечные электростанции.

Все комплектующие выпускаются под глубоким контролем качества продукции на базе сверхсовременных технологий.

Real Solar

Если вы решили электрифицировать дачу за счет установки домашней автономной гелиосистемы, то можно обратиться в С-Петербургскую компанию Real Solar.

Они специализируются на проектировании, монтаже и обслуживании автономных систем электроснабжения именно для загородных дач, домиков и разного типа коттеджей.

Для владельцев небольшого дачного домика могут быть установлены электростанции 3-х киловватной мощности. Они вполне справятся с непрерывным электропитанием автономного типа круглые сутки. Холодильники, телевизоры, погружные и поливочные насосы, ноутбуки, электроинструменты — будут работать от батарей Real Solar.

Helios House

Основной упор в своей работе инженеры компании ООО “Гелиос Хаус”, делают на проектирование солнечных систем, которые можно развернуть на любых объектах. Так же специалистами компании может быть организована поставка, пуско-наладка и дальнейшее обслуживание гелиоустановок, которые смогут обеспечить электроэнергией:

• До 4-х энергосберегающих лампочек;
• Средний холодильник “А” класса;
• Телевизор;
• Поливочный насос.

В ассортименте есть комплекты как для дачного периода — апрель/октябрь, так и наборы, которые могут обеспечить вполне комфортное проживание в осенне-зимний период.