Возможности перехода на альтернативные источники энергии уже несколько десятилетий рассматриваются и частично реализуются заинтересованными компаниями, представляющими энергетическую индустрию. Большие издержки внедрения новых систем энергообеспечения пока не позволяют успешно развиваться многим направлениям этой отрасли, но также есть исключения, к которым относятся генераторы солнечной энергии.
В разных вариациях такие источники питания применяются в специализированных областях, а в последние годы находят свое место и в частном энергоснабжении. Оптимальный формат для технической реализации солнечной батареи – панель на фотоэлектронных элементах, которая не занимает много места, но при этом снабжает потребителя энергией определенного объема.
Общие сведения о технологии
В качестве энергетического источника могут использоваться самые разные природные явления - от ветра до течения воды. Разумеется, и энергия Солнца, как естественный источник света и тепла, не может не рассматриваться как ресурс для преобразования в обычное электричество. К слову, энергетическая освещенность в ясный день может достигать 1020 Вт/м2, и это ощутимый потенциал, который вполне может найти практическое применение. Остается лишь технологически реализовать процесс преобразования и доставки энергии. Для этого и применяются солнечные батареи-панели.
Модули подобного типа комплексно выполняют задачи получения, стабилизации и аккумуляции солнечного света. На следующих этапах решаются задачи ее преобразования, накопления и распределения между потребителями. На сегодняшний день основные задачи солнечной энергетики заключаются даже не столько в самой технико-конструкционной организации вышеназванных процессов, сколько в оптимизации технологии с целью повышения производительности ее продуктов.
Конструкция панели
В общем понимании подобное устройство является приемником и аккумулятором солнечной энергии. Однако в ее обслуживании используется целая группа компонентов, среди которых аккумуляторы, электрические преобразователи, блоки предохранения, регуляторы мощности, механика для управления положением панели и т. д.
Но в каждом случае система панели солнечных батарей базируется вокруг функции одного главного элемента – модуля, который непосредственно воспринимает солнечную энергию. В наиболее распространенном варианте это кремниевые моно- или поликристаллические пластины, которые в разрезе напоминают многослойный пирог. Это и есть так называемые фотоэлектрические элементы, обеспечивающие точное позиционирование атомов, которые, в свою очередь, задействуются в процессах преобразования энергии.
Классификация солнечных панелей по типу фотоэлементов
По мере развития технологий изготовления пластин для приема солнечной энергии специалисты экспериментировали с материалами их изготовления, определяя оптимальные решения. На сегодняшний день батареи такого типа производят из следующих элементов:
- Кремниевые мультикристаллические пластины. Структуру материала формирует группа монокристаллических кремниевых решеток, что позволяет компенсировать потери энергии по краям конструкции, как это бывает в монокристаллических панелях. В итоге КПД достигает 15% при сроке службы устройства до 25 лет.
- Панели на поликристаллическом кремнии. Еще одна альтернатива простым монокристаллическим солнечным панелям. Батарея на такой основе менее производительна, но стоит гораздо дешевле и дает больше возможностей для проектирования различных форм конструкции и ее ориентации.
- Панели из аморфного кремния. Тоже вариант слабой мощности, но он же самый доступный по цене. Для потребителей с низкими потребностями в энергоснабжении вполне приемлемое решение.
- Устройства на теллуриде кадмия. Этот материал широко используется в разработке пленочных фотоэлементов, толщина полупроводникового слоя которых составляет сотни микрометров. У теллурида кадмия средние показатели производительности выработки энергии, но сам процесс генерации электричества в этом случае будет дешевле, чем у стандартных кремниевых панелей.
- Батареи на полупроводнике CIGS. В данном случае используется комбинация нескольких материалов – галлия, селена, индия и меди. Также применяется пленочный форм-фактор, но с более высокой производительностью по сравнению с аналогами из теллурида кадмия.
Принципы работы устройства
После получения солнечной энергии дальнейший ход работы системы может происходить по разным схемам в зависимости от проектного решения. В основном используются два способа применения оборудования:
- Выработанная электроэнергия накапливается в подключенном блоке аккумулятора и параллельно расходуется потребителями.
- На пути от панели к блоку аккумулятора устанавливается инвертор, регулирующий расход энергии. Подобная схема применяется в случаях, когда солнечная батарея-панель выступает вспомогательным источником питания, покрывающим лишь часть нужд потребителя в электроэнергии.
В обоих случаях должна быть организована электрическая цепь с возможностью ввода солнечных фотоэлементов. Конфигурация подключения может быть как последовательной, так и параллельной. Среднее входное напряжение может составлять 180-354 В применительно к бытовым системам. Нагрузка при этом составляет 5 А.
Реализация системы управления
Активное развитие солнечных батарей пришлось на период широкого внедрения управляющих микроконтроллеров в сложные процессы производства. На данный момент такие аппараты применяются и для автоматизации различных операций в бытовой сфере – достаточно отметить системы сигнализации и механики управления гаражными воротами.
Применительно к солнечным панелям используют контроллеры с емкостными датчиками, позволяющими не только отслеживать параметры работы функциональных компонентов, но и управлять процессом заряда батарей солнечных панелей. Контроллеры на базовом уровне осуществляют мониторинг автоматов защиты, варисторов и предохранителей, но также могут участвовать в процессах изменения параметров постоянного тока, снабжающего конечных потребителей.
Советы по эксплуатации панелей
Приобретая солнечную батарею, желательно провести комплексную ревизию всех ее компонентов и особенно фотоэлементов, так как малейшее повреждение или заводской дефект может радикально сказаться на работоспособности всей системы. Также в процессе установки следует соблюдать максимальную осторожность, поскольку конструкция хрупкая и без специальной защиты может повредиться.
Монтаж солнечной батареи панельного типа осуществляется на специально подготовленной базе низковольтным паяльником. Важно, чтобы лицевая часть при любом обращении не затенялась деревьями и другими высокими объектами. Для управления предусматривается специальный шкаф с автоматикой и функциональными блоками. От него на крышу, где установлена панель, должна быть проведена изолированная коммуникационная трасса энергообеспечения.
Как изготовить солнечную панель своими руками?
Наиболее подходящая схема для изготовления в домашних условиях выполняется из деревянного каркаса и элементов оргстекла. В качестве основания панели может применяться древесностружечная плита, края которой в форме бортиков оформляются брусом толщиной 1-3 см. На поверхность укладываются и фиксируются на клей фрагменты оргстекла небольшого формата по принципу сот. Затем конструкцию можно закрыть сплошным стеклом, плотно зафиксировав его по контурам бортиков.
Также следует установить панель солнечной батареи. Своими руками это делается на несущей металлической основе с возможностью поворота. Для нее можно подготовить рамную базу с приводным механизмом для разворота в нужном диапазоне. При этом надо учитывать и нагрузку на покрытие крыши. Желательно, чтобы несущая основа панели была напрямую связана через кровлю с системой стропил. На заключительном этапе необходимо подключить панель через проводники с аккумулятором нужной мощности и при необходимости ввести в электросеть инвертор для преобразования входного напряжения.
Преимущества солнечных панелей
Технологии генерации электричества на основе принципов преобразования солнечной энергии дают немало преимуществ конечному потребителю, несмотря на целый ряд эксплуатационных сложностей. В частности, простейшая монокристаллическая панель солнечной батареи на 100 Вт может бесплатно заряжать аккумуляторный блок на 12 В. Но даже такие элементы постепенно уходят в прошлое, а на смену им приходят мощные генераторы, способные обслуживать энергосистему дома, требуя только затрат на обслуживание. При этом можно говорить об экологической чистоте источника питания и автономности.
Перспективы развития технологии
Принципиально важным этапом в развитии солнечной энергосистемы стало появление альтернативных источников питания с напряжением до 220 В. Пока такие системы еще находятся в стадии концептуального проектирования, но в будущем при условии оптимизации процессов получения исходной энергии и они войдут в сегмент массового производства.
Основные сложности, с которыми сталкиваются конструкторы, заключаются в равномерности накопления энергетического потенциала и снижения факторов зависимости генераторов от внешних условий. К примеру, низкий КПД панелей солнечных батарей для дома на уровне 15-20% в значительной степени обуславливается факторами условно плохой погоды, когда поступление энергии сводится к минимуму.
Заключение
Если о комплексном энергоснабжении частного дома солнечной энергией пока говорить рано, то покрытие отдельных нужд зарядки маломощных устройств или поддержание работоспособности приборов освещения такими средствами вполне реально. Причем российские производители активно участвуют в развитии этого направления, предлагая свою продукцию приемлемого качества.
Часть компаний собирает солнечные батареи из китайских панелей низкой стоимости на уровне 3-5 тыс. руб., но также появляются и полностью собственные разработки. К передовикам отечественного рынка в этой нише можно отнести компании «Квант», Hevel Solar и «Солнечный ветер». На мощностях этих предприятий выпускаются не только системы малой мощности, но и эффективные решения для промышленной эксплуатации.
