Уже долгие годы человечество озабочено получением дешевой энергии из альтернативных возобновляемых ресурсов. Преобразование воздушных масс, приливы океанских волн, геотермальные воды - все это рассматривается как дополнительный неиссякаемый потенциал в противоположность ископаемому топливу.
Самым перспективным возобновляемым источником является энергия солнца. Ведь оно обладает колоссальным ресурсом, несет в себе свет и тепло, приводящие в движение все жизненно важные системы на нашей планете. Именно поэтому человек и предусмотрел в этом огромные для себя перспективы. Несмотря на ряд недостатков этого направления, солнечная энергетика в России набирает ход.
Как из света получается электричество
Преобразование солнечного света в электрическую энергию называется фотоэффектом. Происходит он, когда на поверхность полупроводника, а в данном случае кремния, падает мощный световой поток. Под его действием происходит отрыв электронов, которые и представляют собой поток заряженных частиц, именуемых электричеством.
Солнце постоянно генерирует огромное количество лучистой энергии. Каждый квадратный метр его поверхности отдает в пространство 63 МВт. Конечно, не вся эта энергия имеет видимый спектр, необходимый для получения электричества.
Пройдя расстояние между Солнцем и Землей, световой поток теряет свою интенсивность, и квадратный метр поверхности нашей планеты принимает лишь 0,9 КВт. Но и это еще не все потери. Лучшие из фотоэлектрических элементов могут преобразовывать 18% от мощности светового потока.
Поэтому при самых лучших обстоятельствах фотоэлементы дадут 160 Вт с квадратного метра.
Кто лидирует на рынке получения солнечной энергии
На сегодняшний день безусловным лидером по переработке солнечной энергии является Китай. Его доля составляет 60% от суммы всего электричества, получаемого мировым сообществом этим способом. Второе место занимают Соединенные Штаты. Они вырабатывают 10.4%. На почетном третьем месте расположилась Индия. Ее доля составляет 7.8%. Далее по убыванию идут Япония, Германия и Бразилия. Развитие солнечной энергетики в России, пока не дает возможности ей войти в число лидеров. Но значит ли это, что умеренный климат не позволяет в должной мере использовать ресурс самого мощнейшего источника?
Достаточно ли солнца в России
По данным Института энергетической стратегии, Россия обладает огромным потенциалом солнечной энергии, который выражается в эквиваленте 2 300 млрд. тонн условного топлива. Экономический ресурс гораздо меньше - 12,5 млн тонн условного топлива. Но и этого более чем предостаточно, с учетом того, что количества энергии, полученного от Солнца за 3 дня, будет больше, чем вся электроэнергия, произведенная за год традиционными способами.
Показатель количества солнечной радиации сильно колеблется из-за географического положения России. В жарких регионах он составляет 1400 кВт⋅ч/м2, а в холодных - 810 кВт⋅ч/м2. Также этот показатель зависит от времени года. В летние месяцы он выше, а зимой - наоборот.
Перспективы солнечной энергетики весьма высоки для некоторых регионов.
К ним относятся:
- дальневосточный округ;
- западная и южная Сибирь;
- области, окружающие Черное и Каспийское моря.
По данным оператора Единой Энергетической Системы доля производства электричества солнечной энергетики в России составляет 0,03% от общего количества.
На сегодняшний момент в России действуют свыше 10 солнечных электростанций, которые выдают суммарную мощность 72,5 МВт.
Развитие солнечной энергетики в России
Сейчас проходит активное рассмотрение проектов по строительству электростанций на территории Крымского полуострова. Чтобы сделать его энергонезависимым, необходимо вырабатывать дополнительно 2,5 млрд КВт. Частично перекрыть эту потребность планируется при помощи энергии солнца и ветра, которые дополнительно будут давать 196 млн. КВт. в общую энергосеть.
В других частях России, в частности, в городе Нариманов, планируется постройка солнечной электростанции мощностью 25 млн. кВт⋅ч/год. Не отстает и Дальний Восток. Чтобы удовлетворить энергетическую потребность, в республике Саха планируется постройка гелиоэлектростанции мощностью 40 МВт.
Еще 5 проектов будут реализованы после 2018 года. Таким образом, строительство крупных солнечных электростанций в России - недалекое будущее.
Автономное электроснабжение для частного дома
В западных странах, например, в Германии, поощряется перевод частного дома на снабжение электричеством от солнечных батарей. Более того, если образуются излишки ресурса, то они покупаются у населения. Таким образом, в дневное время суток они продаются компании, поставляющей электричество, а ночью, когда солнца нет, электроэнергия покупается обратно. В России подобная система не работает. Однако если солнечные батареи выдают больше энергии, чем необходимо, ее можно накапливать в аккумуляторы.
Как рассчитывается количество солнечных панелей
Для того чтобы рассчитать количество солнечных батарей для снабжения дома, нужно выяснить, сколько КВт было потрачено в течение месяца. Затем получившееся число разделить на 30. Это будет среднее значение необходимого количества электроэнергии в день. Для того чтобы иметь запас по мощности для зарядки аккумуляторов, нужно взять добавочный коэффициент 1,6. После этого можно приступать к выбору солнечных панелей.
Для работы автономной системы электроснабжения кроме солнечных батарей нужно как минимум иметь еще инвертор, без которого напряжение в домашней сети будет всего лишь 12 или 24 вольта.
Солнечные батареи
Явление преобразования энергии солнечного света было открыто еще в XIX столетии. В качестве полупроводника, вырабатывающего электричество, был использован селен. Он имел КПД около 1%. За это время технологии шагнули вперед и современные солнечные панели для частных домов имеют КПД до 35%. По своей конструкции они делятся на 3 разновидности:
- Монокристалические. Фотоэлементы этих панелей выполнены из единого кристалла. Они имеют самые высокие цены и КПД. Эти устройства можно узнать по их насыщенному синему цвету.
- Поликристалические. Эти батареи выполняются из нескольких кремниевых пластин, что хуже сказывается на преобразовании света в электричество. Однако более низкая стоимость сказалась на их широком распространении. Чаще всего солнечные панели для частных домов устанавливают такого типа.
- Тонкопленочные. Эти батареи представляют собой порошковый полупроводник, нанесенный на гибкую основу. Поэтому их можно монтировать на любой поверхности. Недостаток - низкий КПД.
От того, какой принцип был применен в изготовлении, будет зависеть, сколько стоит солнечная батарея.
Инвертор
Солнечная батарея состоит из множества фотоэлектрических модулей, которые выдают напряжение 0,6 вольт. Минимальный показатель, который должна выдавать батарея, - 14 вольт, поэтому элементы для преобразования энергии последовательно соединяют между собой. Этого напряжения должно хватать для зарядки аккумуляторов, в которые отводятся излишки электричества. Но как сделать так, чтобы можно было использовать бытовую технику, ведь напряжение в домашней сети 220 вольт?
Для этих целей применяют инвертор. Его задача сводится к тому, чтобы преобразовывать 12 вольт в 220. Кроме того, в сети используется переменный ток, а солнечные панели вырабатывают постоянный. Именно инвертор преобразовывает электрическую энергию таким образом, чтобы придать характеристики, соответствующие домашней сети.
Контроллер
Контроллер - это основной распределяющий прибор в автономной системе энергообеспечения. К нему подключаются инвертор, аккумуляторы, электрический кабель городской сети. Для чего это делается?
В дневное время, когда солнечные панели создают электричество с избытком, контроллер направляет излишки на зарядку аккумуляторных батарей. Затем в вечерние и ночные часы, когда солнечная энергия отсутствует, это устройство электричество из аккумуляторов направляет в инвертор, подсоединенный к сети дома. Но бывают случаи, когда тока в так называемых "резервуарах" становится недостаточно для выполнения каких-либо задач. Тогда контроллер принимает решение брать необходимое электричество из городской сети. Таким образом, он осуществляет эффективное управление.
Аккумуляторы
Основной проблемой солнечной энергетики является необходимость использования аккумуляторов. Эти элементы электростанции значительно удорожают систему. Дешевые автомобильные варианты сюда не подойдут по причине их быстрого выхода из строя. Даже в щадящем режиме они не работают более трех лет. Интенсивная работа укорачивает их срок службы до года. Если есть необходимость в накоплении энергии, то нужно рассмотреть другие варианты:
- Литий-железо-фосфатные АКБ (lifepo 4). Это самый лучший вариант, потому что он имеет КПД до 98%. Это значит, что он отдает почти столько же энергии, сколько получает. Производители обещают срок службы около 15 лет, 3000 циклов заряда при разрядке 80% и 5000 циклов при разрядке 50%. Стоимость такой АКБ емкостью 240 А/ч свыше 50 тыс. рублей.
- Тяговые свинцово-кислотные аккумуляторы. Такие АКБ устанавливают на электрокарах, электрических погрузчиках. Они способны переносить глубокий разряд. Срок службы составляет 10-12 лет. Цены на такие АКБ начинаются от 30 тыс. рублей.
- Никель-кадмиевые АКБ. Это одна из самых дорогих разновидностей. Стоимость батареи емкостью 250 А/ч начинается от 70 тыс. рублей. Эти аккумуляторы хороши тем, что при соблюдении рекомендаций производителя они служат достаточно долго. Кроме того, когда со временем емкость сократится, ее можно будет вернуть тренировочными циклами разряда-заряда.
Аккумуляторные батареи являются расходным материалом для солнечной энергетики. В России цены на подходящие АКБ пока неоправданно высоки, и сильно снижают рентабельность использования природного ресурса. Приобретать такое устройство нужно только у проверенных производителей.
Опыт использования в частных домах
Сколько стоит солнечная батарея, есть ли экономическая выгода от их использования?
По разным данным, стоимость оборудования, предлагаемого производителями для получения электроэнергии от солнца, находится в пределах 40-300 тыс. руб. для дома средней величины. В этом диапазоне находится цена как на готовые комплекты, так и на отдельные элементы.
Оборудование рассчитано на срок службы от 20 лет и выше. Исключение составляют аккумуляторные батареи.
Если взять стоимость платежей за электроэнергию, прибавить к ней цену отопления, то сумма получится не менее 50 тыс. рублей в год. Это для средней полосы России. Таким образом, комплект стоимостью в 300 тыс. рублей, который способен выдавать от 3 до 5 КВт в своем пиковом значении, окупает себя в течение нескольких лет.
Если проанализировать темпы снижения цен на подобную продукцию, то применение солнечных батарей становится оправданным.
