Автономное энергоснабжения это солнца

Особенности применения солнечных электростанций

С развитием современных технологий солнечная энергетика становится привычным и востребованным источником энергии. Теперь солнечные электростанции (СЭС) популярны и узнаваемы во всем мире. Чаще всего мы встречаемся с черными прямоугольниками на крышах домов — это солнечная электростанция, а как сделать такую солнечную электростанцию своими руками, принципы ее работы и особенности монтажа мы рассмотрим далее в этой статье.

Разнообразие СЭС

Все существующие типы солнечных электростанций разделяются на:

• тарельчатые;
• фотопанели;
• башенные;
• аэростатные;
• комбинированные;
• параболоцилиндрические концентраторные;
• солнечно вакуумные электростанции;
• башенного типа;

Последние два варианта — солнечные тепловые электростанции. Сконцентрированная солнечная энергия перерабатывается в пар, который вращает турбину, вырабатывающую ток.

Такое богатое разнообразие видов СЭС — наглядное подтверждение тому, что такой вид энергетики очень востребован.

Поэтому, несмотря на плюсы и минусы солнечных электростанций, крупные электрические компании вкладывают серьезные денежные средства в строительство такого рода установок.

О преимуществах и недостатках

Теперь, когда есть понимание того какие существуют виды солнечных электростанций, можно сказать о том, какие преимущества они дают и какими недостатками обладают. Солнечные электростанции имеют плюсы и минусы:

Плюсы

1. Это возобновляемый источник энергии.
2. Работают по всему земному шару.
3. Безопасны для окружающей среды.
4. В конструкции практически отсутствуют движущиеся узлы, за исключением тех станций, которые автоматически перестраиваются за положением солнца.
5. Длительный срок эксплуатации — от 25 лет и выше.
6. Возможность эксплуатации при отсутствии централизованного распределения электроэнергии. Например, если вы соберетесь создать солнечную электростанцию для своей дачи в этом не будет никаких проблем.
7. Есть возможность организации гибридной электростанции. Например, ветер+солнце.
8. В районах крайнего Севера — дополнительный источник энергии для отопительной системы.

Минусы

1. Погода и время суток.
2. Поверхность должна быть чистой. Поэтому необходима периодическая очистка.
3. Для больших площадей нужна вентиляция или принудительная система охлаждения.
4. Есть остаточное влияние на экостистему. Солнечно вакуумные электростанции оборудованы зеркалами с точной фокусировкой. Если птица попадает в фокус зеркал, она моментально погибает.
5. КПД гелиопанелей сравнительно мал при их высокой стоимости.
6. Нужно дополнительное оборудование.

И всё-таки, несмотря на недостатки солнечных электростанций, они строятся и обладают большой значимостью.

Домашняя солнечная электростанция

Теперь попытаемся понять, зачем нужна электростанция на солнечных батареях для домашнего пользования.

1. В первую очередь она позволяет решить проблему с поставками электричества.
2. Солнечные батареи обеспечивают независимое снабжение электроэнергией.
3. Смогут служить дополнением к существующим источникам электричества, таким как ветряк или бензиновый (дизельный) генератор.
4. Это своего рода инвестиция. Тарифы на свет постоянно растут, а солнце светит всегда.
5. Можно остатки электричества продавать государству.
6. Для частного дома частично перекрывает традиционное отопление.

Как устроена солнечная батарея

Основной элемент — полупроводник на основе кремния, который способен преобразовывать световую энергию в электрический постоянный ток. Это принцип работы всех панелей.

Состоит из двух слоев кремния —

• монокристаллического чистого с р-типов проводимости;
• загрязненного n-типа с примесью фосфора.

С тыльной стороны защищен металлическим слоем.

С обратной стороны есть клеммы для кабеля, для подключения к инвертору или к аккумулятору в зависимости от способа применения (об этом далее).

Главное правильно подобрать

Для домашнего пользования нужна именно та схема солнечной электростанции, которая подходит под конкретный тип задач, поэтому если вы уже точно решили сделать её у себя дома, то не поленитесь и прочитайте дальше.

Электричества на участке нет вообще

Можно реализовать хорошую схему автономной СЭС.

В дневное время модули накапливают электроэнергию. Можно параллельно и заряжать батареи и пользоваться электричеством по дому. Для повседневного применения в цепи применен инвертор (преобразователь) постоянного тока от батарей в переменный для домашних приборов.

В этом варианте необходим контроллер заряда. Тогда вся система будет работать более эффективно. С его помощью отслеживаются точки максимальной мощности. На практике это приводит к накоплению энергии в аккумуляторах даже в режиме недостаточной освещенности.

В этой схеме также применен дизель-генератор для подзарядки аккумуляторов. Зависит от того как собрать схему.

Централизованная сеть подается с перерывами

Возможен вариант, когда в вашем районе есть централизованная подача электричества, но мощностей местных сетей не хватает, и происходят частые долговременные отключения электропитания. Тогда, если необходимо иметь дома свет встает задача собрать солнечную электростанцию, можно применить гибридную СЭС. Она будет дополнять существующую городскую сеть.

В ней повторяется принцип автономной ЭС, но он дополнен гибридным инвертором, настроенным на использование гелиоэнергии. Такие как МАП серии Hybrid и Dominator. Такая установка максимально независима от городской электросети, так как приоритет отдается применению энергии солнца.

Высокий тариф на электроэнергию

Основная задача построения такой схемы, экономить центральную электроэнергию.

Как видно из рисунка из общей системы исключены аккумуляторы. Такой принцип работы быстро окупается за счет экономии сетевого электропитания.

Это основные схемы применения солнечных панелей. Все варианты того как работает солнечная электростанция и с помощью каких решений, могут дополняться другими конструктивными элементами.

Как рассчитать количество гелиопанелей

Автономная солнечная электростанция для дома начинается со сбора информации.

Необходимы все данные по количеству солнечных дней в вашей местности. В этом помогут специальные метеосправочники и интернет. Подсчитать общее количество за год и с разбивкой по месяцам. Ориентиром для подбора мощности будущей солнечной станции для дачи служат количество месяцев с самыми скромными показателями.

Теперь рассчитываются ваши общие потребности в электричестве и годовые и помесячные. Надо учитывать, что главное не только накопить энергию, но и правильно ее использовать. Если автономная солнечная электростанция будет с небольшими потребностями, соответственно количество панелей надо меньше. А это влияет на конечную стоимость домашней электростанции от солнца.

Необходимо помнить, что эффективность панелей держится на уровне 12–14%. То есть, если солнечная эффективность для вашего региона составляет 20 кВт-час/м², тогда только панель площадью 0.7 м² будет отдавать 1.68 кВт-час. Дальше всё просто. Если потребность в электричестве примерно 80кВт-час/месяц нужно 48 панелей, на которых и будет эффективно работать солнечная станция.

Как подключить

Если не стоит задача обеспечить электричеством весь дом, то можно обойтись простой схемой. Солнечная панель + аккумулятор + контролер заряда, соединённые клеммами. Аккумулятор накапливают электроэнергию, а от него можно пользоваться зарядкой телефона, наладить освещение или подключить устройства, работающие от постоянных 12 В. Способ примитивный, но рабочий.

Когда есть необходимость запитать домашние устройства напряжением 220 В, в цепь добавляется преобразователь постоянных 12 или 24 В, выдаваемых панелью, в переменные 220 В.

На практике реализуются два типа подключения:

Последовательное соединение дает более высокое напряжение.

Если необходим более высокий ток, панели подключаются параллельно.

Можно повысить сразу и ток и напряжение. Для этого часть панелей соединяются последовательно, а другая часть параллельно.

При этом оба режима гарантируют более высокую мощность. Но если для работы домашней электросети не хватает мощности надо добавить количество панелей.

Фиксация элементов по временной схеме

Если рассматривать дачный вариант, когда вся работа только по выходным, удобнее переносной вариант. Панели должны легко разбираться, чтобы потом их спрятать или увезти с собой. В этом у солнечных электростанций преимущества и недостатки перед другими решениями.

Фиксация панелей по постоянной схеме

Если для размещения солнечных панелей предполагается использовать крышу строения, то надо учесть материал перекрытия.

1. Перекрытия из металла. Для монтажа потребуется сквозное сверление.
2. Шифер. Не рекомендуется для монтажа ввиду хрупкости покрытия.
3. ПВХ или ЭПДМ. Монтаж производится на стыках листов.

Особенности монтажа

Есть определенные правила монтажа, которых нужно придерживаться:

1. Угол наклона. Важно чтобы панели как можно большую часть дня были под падающими лучами солнца.
2. Затемнение. При смене траектории солнца соседние панели не должны создавать тень. Для этого важно сохранить необходимое расстояние между элементами.

Выбираем аккумулятор

Монтаж солнечной электростанции правильно начать с выбора аккумулятора. От этого зависит её нормальная работа.

Поясним по порядку почему:

1. Именно на него поступает полученная солнечная энергия.
2. Также накопленная им энергия поддерживает домашнюю электросеть в рабочем состоянии.
3. Еще одна функция — выравнивать неравномерное поступление энергии от гелиопанелей при сплошной облачности или сильном ветре.

Какие брать

Справедливо будет отметить, что аккумулятор — слабая сторона в альтернативном снабжении дома электричеством. Не смотря на современные технологии, они не стали легче, компактнее и дешевле.

В системе СЭС применяют батареи двух типов:

Они различаются по цене, по внутреннему строению и эффективности. Предпочтительнее выбрать гелевый, из-за лучшей переносимости глубоких разрядов. Для него это нормальный режим работы. Это достоинства таких батарей. Главный недостаток — низкие пусковые токи при низких температурах на улице. Но в условиях домашней электростанции такие токи не нужны. Обратная сторона гелевых батарей — они дороже кислотных.

Как рассчитать стоимость

Мощность батареи влияет на ее стоимость. Рассчитаем её. Вот примерная таблица потребителей электричества в доме:

Теперь расчёт суммарных ампер-часов:

Таким образом, чтобы обеспечить 6 кВт в сутки нужны батареи емкостью 1787 А/ч.

Получается, чтобы поддерживать электроснабжение в доме, нужны 8 батарей емкостью по 200 А/ч каждая.

Теперь цена вопроса. Если брать аккумуляторы надежные, такие как Delta GX12-200, то стоимость одного такого 452.4 $. Всего получается 452.4×8 = 3619 $. Для такого региона как Москва это составит 220.576 тыс. руб.

С одной стороны это не дешево, но срок службы Delta GX12-200 в 15 лет сам себя оправдывает.

Заключение

Солнечная энергетика постоянно наращивает свой потенциал. В этом ей помогают открытия в квантовой физике и нанотехнологиях. Благодаря этому мощность гелиостанций только растет. Прогресс движется в правильном направлении. Экологичность и возобновляемость — это будущее, к которому стоит стремиться.

Видео по теме

Источник

Солнечные электростанции: какие они бывают, как устроены и принцип их работы

Количество СЭС по всему миру увеличивается примерно на 20% в год. Еще быстрее растет их общая производительность и популярность среди бизнесменов и населения. Чтобы понять, почему солнечная электростанция становится серьезным конкурентом ископаемым видам топлива, необходимо начать с того, что это за комплекс, как он работает и насколько выгоден в эксплуатации. Наша статья посвящена подробному разбору этих вопросов.

Что такое солнечная электростанция

Любая СЭС представляет собой специализированный комплекс оборудования, способный улавливать электромагнитное излучение солнца и преобразовывать его в тепловую или электрическую энергию.

Для этого использовались разные технологии, которые с годами совершенствовались.

Наиболее ранний известный метод позволял получать энергию за счет перепада температур в герметичной прозрачной башне. Его использовали на французских фермах еще в 19 столетии.

Следующим технологическим решением стала система зеркал, размещаемых концентрическими кругами вокруг высокой центральной башни, на которой устанавливался бак с теплоносителем. Фокусировка лучей от каждого зеркала нагревала бак до температур от 500 до 700°C. Теплоноситель превращался в перегретый пар, передающийся на лопатки турбин. К сожалению, эффективные установки подобного рода требовали огромных площадей, а небольшие домашние солнечные электростанции смонтировать таким путем было невозможно.

Гораздо более прогрессивными и перспективными являются современные СЭС на базе фотоэлектрических солнечных панелей. Теоретическая эффективность таких установок может достигать 80%, а их размеры могут колебаться от миниатюрной батареи на поясе до огромных ферм, занимающих сотни квадратных километров.

В связи с этим далее мы будем рассматривать только станции, генерирующие энергию с помощью фотоэлектрических батарей.

Как устроена солнечная электростанция

Основными элементами СЭС являются:

Гелио модули (солнечные батареи)

Каждый из них представляет собой набор полупроводниковых ячеек, уложенных рядами на прочное основание. Сверху модуль закрывает особо прочное прозрачное стекло, а передача тока осуществляется через токопроводящие полоски.

В большинстве случаев торцы панели защищает алюминиевая рама, однако существуют модели, созданные по безрамной технологии. В крупных солнечных электростанциях модули могут объединяться в группы, соединяясь одним из трех способов:

Благодаря такому решению можно получать на выходе любые, наперед заданные, силу тока и его напряжение.

Количество фотоэлектрических ячеек в одной панели солнечной электростанции для дома обычно составляет несколько десятков, хотя существуют варианты и с сотнями элементов. Сами ячейки создаются по различным технологиям, связанными с особенностями полупроводниковых материалов. Наиболее распространенными из них являются:

1. Монокристаллический кремний Mono-Si. Панели на его основе идеальны для южных скатов крыш и земельных участков, где есть возможность направить рабочие поверхности батарей строго на солнце. Максимальный КПД таких панелей 22-24%, но при отклонении условий освещения от идеала быстро снижается.

2. Поликристаллический кремний Poli-Si. Используется в местах с умеренным уровнем солнечной инсоляции. Его несколько меньшая эффективность, чем у монокристаллов (16-20%), компенсируется среднегодовым ростом производительности за счет не столь значительного падения КПД при воздействии неблагоприятных факторов.

3. Теллурид кадмия CdTe. Редкоземельный композит, позволяющий создавать гибкие тонкопленочные, а не жесткие батареи. Еще менее чувствителен к углам наклона, облачности, рассеянному свету и перепадам температур.

4. Дорогостоящие редкоземельные элементы – галлий, германий, индий. Применяются преимущественно в модулях, где вопрос, сколько энергии вырабатывает солнечная электростанция, более важен, чем ее стоимость. Основными покупателями панелей данного типа являются компании, работающие в аэрокосмической промышленности.

Инверторы

Второй по важности элемент любой солнечной электростанции – устройство, называемое инвертором. Его присутствие в схеме необходимо, поскольку батареи вырабатывают постоянный ток, а в электросетях используется переменный. Именно эту задачу и выполняет инверторный преобразователь.

В зависимости от того, как будет работать солнечная электростанция – автономно, в тандеме с сетью или смешанно, приобретается инвертор соответствующего типа. Подключение прибора осуществляется с точным соблюдением полярности между группой генерирующих ток модулей с одной стороны и всеми прочими элементами системы – с другой.

При выборе инвертора ориентируются на следующие важные характеристики:

величина входного напряжения;

• максимальная и номинальная мощность;
• потребление без нагрузки;
• форма тока на выходе (идеальной считается чистая синусоида);
• масса устройства;
• наличие вентилятора и его функциональность;
• набор механизмов защиты;
• КПД;
• наличие режима ожидания;
• рабочий диапазон температур.

Контроллеры заряда

Требуются только в промышленных или домашних солнечных электростанциях, использующих аккумуляторные батареи для накопления заряда. На рынке имеется широкий выбор контроллеров, значительно отличающихся функциональными возможностями, качеством и долговечностью.

• широтно-импульсныеPWM (Pulse-Width Modulation), достаточно качественно модулирующие ток и заряжающие АКБ на 100%;
• интеллектуальные MPPT (Maximum power point tracking for low power photovoltaic solar panels) – более дорогие, но окупающиеся на крупных станциях за счет на 30-35% большей эффективности;
• гибридные – в основном использующиеся на станциях, где в едином тандеме работает солнечная СЭМ и ветровая ВЭС.

Выбор контроллера зависит преимущественно от общей мощности, производительности и стоимости электростанции.

АКБ – аккумуляторные батареи

Любая солнечная электростанция для дома или дачи, работа которой планируется в круглосуточном режиме, имеет в своем составе аккумуляторные батареи. При наличии солнца в них накапливается избыток генерации. При его отсутствии сохраненная в АКБ энергия отдается обратно в сеть.

В зависимости от потребностей и финансовых возможностей владельца, для станции выбирается один из следующих типов аккумуляторов:

Кроме того, у литиевых АКБ в 5 раз ниже удельный вес на единицу плотности энергии

Периферия

Основные элементы солнечной электростанции не могут быть объединены в единую систему без периферии. На вопрос, что это такое, обычно называют соединительные кабели с разъемами MC4, а также крепежные конструкции для СЭС всех видов.

Общим требованием к периферийным материалам является их надежность, долговечность и устойчивость к неблагоприятным погодным условиям.

Иногда в эту же категорию записывают различные электронные блоки и платы – комплектующие к различному оборудованию солнечных электростанций, подлежащие замене при необходимости.

Как работает солнечная электростанция

Функционирование таких систем основано на принципе фотоэлектрического эффекта. Заключается он в следующем:

• поток фотонов падает на поверхности солнечных панелей;
• свет определенной длины волны – в основном видимое и отчасти УФ и ИК излучение – поглощается слоем кремния или редкоземельных материалов;
• в рабочем слое ячеек возникает так называемая p/n-проводимость, в результате которой фотоны выбивают из атомов полупроводника свободные электроны;
• их поток представляет собой постоянный электрический ток, который по токопроводящим дорожкам направляется в инвертор;
• оттуда к потребляющим устройствам и АКБ направляется переменный ток напряжением 220V, использующийся с различными целями.

В автономных солнечных электростанциях вся сгенерированная энергия остается в системе. Часть ее идет на потребление, питая разнообразные электроприборы, светильники и прочее электрическое оборудование. Другая часть накапливается в АКБ, чтобы поддерживать потребление на том же уровне в ночное время суток и при пасмурной погоде. Сколько будет стоить такая солнечная электростанция, зависит от потребностей владельцев. Для загородного дома оптимальной будет СЭС на 10-20 кВт. На временно посещаемой даче может оказаться достаточно и 3-5 кВт.

Задача сетевых вариантов СЭС несколько иная. Как работает сетевая солнечная электростанция? Она подключена к централизованным электросетям, а ее схема содержит мульти тарифный счетчик. Это позволяет как получать часть недостающей энергии из сети, так и продавать излишки генерации государству по зафиксированным законодательством «зеленым тарифам». Поскольку последние в Украине достаточно высоки, владельцы таких СЭС стремятся установить максимально возможные мощности, приносящие высокую прибыль. АКБ в подобных системах не предусмотрены.

Гибридный тип солнечных электростанций объединяет в себе возможности первого и второго класса СЭС. Такие установки могут работать автономно либо в режиме получения/отдачи электроэнергии из внешних сетей. Для них удельная цена киловатта мощности максимальна, поскольку конструкция должна включать все основные элементы, необходимые для первых и вторых разновидностей станций.

Сколько стоит солнечная электростанция

Основным фактором, влияющим на стоимость СЭС, является ее будущая совокупная мощность. С учетом расходов на установку, пуско-наладку и оформление документов она колеблется в пределах $0,8-1,0 за 1 кВт. Плавающий диапазон цен образуется за счет второстепенных факторов – «брендовости» и качества оборудования и сложности монтажных работ.

Наиболее дешевым вариантом считается покупка б/у обрудования из Европы. Недостаток такого приобретения очевиден, и связан с невозможностью объективной оценки реальной эффективности станции и оставшийся срок службы панелей.

Вторым по уровню затрат является приобретение бюджетных комплектующих от малоизвестных китайских фирм. Их оборудование на 20-30% дешевле батарей, инверторов, аккумуляторов и периферии от компаний из всемирно известного рейтинга TIER-1 Bloomberg, но уступает качеством и долговечностью.

Поэтому перед покупкой специалисты советуют рассматривать только третий вариант и строить расчет на том, сколько будет стоить солнечная электростанция для дома от проверенных производителей.

Приведем несколько наиболее востребованных примеров.

1. Сколько стоит солнечная электростанция на 5 кВт

Ориентировочно вам понадобится приобрести следующий комплект для наиболее дешевой сетевой СЭС:

Таблица ориентировочной стоимости СЭС на 5 кВТ

С учетом расходов на сдачу «под ключ», куда войдет оформление «зеленого тарифа» и мульти тарифный счетчик с АСКУЭ, общая сумма составит примерно $ 4800.

Автономная станция обойдется немного дороже, поскольку потребует включения в список качественных АКБ, но исключение из него счетчика и оформления разрешений на «зеленый тариф».

2. Сколько будет стоить солнечная электростанция на 10 кВт

Принцип расчета здесь почти аналогичен. Вам потребуется приобрести:

Таблица ориентировочной стоимости СЭС на 10 кВТ

3. Сколько стоит солнечная электростанция на 30 кВт

Никаких принципиальных изменений при определении общей стоимости такой, второе более мощной СЭС, делать не нужно. Однако необходимо принять во внимание следующее соображение.

Для такой станции потребуется более 100 батарей на 250-275 ватт, или около 200 кв. метров свободного пространства. Замена на более производительные 300-400 ваттные панели несколько сэкономит место, но южных скатов крыши даже большого дома может оказаться недостаточно. Поэтому необходимо будет рассмотреть вариант с установкой на земле. Но площадь свободного участка придется увеличить почти вдвое, чтобы не допустить падения тени от одних наклонно установленных модулей на другие, соседние.

Если это не проблема, понадобится выделить на покупку около $25-26 тыс., или почти 700 тыс. гривен.

Впрочем, окупаемость такой СЭС не превысит 5 лет, а далее начнет приносить постоянный доход более $4000 ежегодно.

Сколько вырабатывает солнечная электростанция

Для примера рассмотрим вариант СЭС мощностью 5 киловатт, а далее проведем простое умножение полученных результатов для станций на 10, 20 и 30 кВт соответственно.

5 кВт

Солнечная электростанция указанной мощности сможет выработать за год:

• в среднем 6-6,5 МВт*ч в год;
• минимум 160 кВт*ч зимними месяцами;
• максимум 750 кВт*ч в летний период.

С помощью специальных online-калькуляторов для СЭС легко подчитать, что за минусом потребления энергии самим оборудованием и согласно действующих «зеленых тарифов» срок окупаемости составит 8,5 года. Все последующие годы вы будете получать от 500 до 600 долларов чистой прибыли.

Важно! При расчете следует учитывать поправку на уровень солнечной инсоляции места установки для каждого региона Украины.

Таким образом, даже сравнительно маломощная 5-киловаттная домашняя солнечная электростанция вполне может использоваться как бизнес.

Для сетевых СЭС на 10, 20 или 30 киловатт все приведенные выше цифры понадобится просто умножить на 2, 4 и 6 соответственно.

Устанавливайте солнечные электростанции и пользуйтесь всеми преимуществами чистой энергии!

Источник