Фотоэлектрические панели. Автономные решения для домовлад...

Солнечные батареи стали одним из немногих альтернативных источников энергии, который уже сейчас пользуется массовым спросом.

Миллионы крыш по всему миру от Израиля до Аляски покрыты панелями, преобразующими даровую энергию солнца в электрический свет.

Этот свет научились использовать и для наружного, и для внутридомового освещения. Системы, основанные на применении солнечных батарей, быстро окупаются, обеспечивают автономный режим питания зданий или кварталов электроэнергией.

Это экологически чистое производство энергии.

Установленная мощность солнечных фотоэлектрических преобразователей в мире уже превышает 938 МВт, этот показатель год от года растет, в том числе и в России. 

В России существует информационный вакуум, не способствующий развитию активного массового спроса на альтернативную солнечную энергетику.

Тем не менее, в российском обществе наметилась готовность к переходу  на солнечные батареи и отечественный бизнес, почувствовав это,  планирует инвестировать миллиарды в соответствующие производственные комплексы.

Развитие промышленного производства и частного спроса на автономную солнечную электроэнергетику — один из частных примеров, когда дух технологического прогресса завоевывает сознание граждан даже при отсутствии должной государственной пропаганды зеленых стандартов в энергетике.

Фотоэлектрический эффект был открыт в 70-х годах 19 века. Тогда ученые обнаружили явление, связанное с освобождением электронов твердого тела или жидкости под действием электромагнитного излучения.

В 30-х годах прошлого века советский академик А. Ф. Иоффе высказал мысль об использовании полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике.

Рекордный коэффициент полезного действия (КПД) тогдашних материалов не превышал 1%, то есть, в электричество превращалась лишь сотая часть световой энергии.  После многолетних экспериментов удалось создать фотоэлементы с КПД до 10-15%.

Затем американцы построили солнечные батареи современного типа. В 1959г. они были установлены на одном из первых искусственных спутников Земли и с тех пор все космические станции оснащаются многометровыми солнечными панелями.

В 1970-х гг. прошлого века солнечные батареи начали входить в повседневный быт. Сначала это были только бытовые приборы, где питание обеспечивалось фотоэлементом над жидкокристаллическим дисплеем, но очень скоро инженеры начали пытаться использовать солнечную энергию для обогрева и освещения зданий.

Солнечные батареи используют для автономного электроснабжения. Одним из ключевых достоинств гелиоустановок является экологическая чистота процесса по сравнению с традиционным производством энергии, когда приходится сжигать газ.

Солнечные батареи долговечны, уход за ними не требует от персонала особых навыков.

Поэтому солнечные батареи становятся все более популярными в промышленности и быту. Лучшие солнечные батареи в мире уже достигли эффективности в 40,7%.

За последние 30 лет 1 Вт электроэнергии от солнечных батарей подешевел в 33 раза. КПД солнечных батарей в лабораториях превысил 50%, их эффективность будет только расти.

Энергосистемы на солнечных батареях автономны, они позволяют обеспечивать электроэнергией частные коттеджи, административные постройки, многоквартирные высотные дома, объекты транспортной инфрастуктуры, и т.д. 

Согласно научным прогнозам, солнечное электричество будет доминирующим источником энергии с долей приблизительно 60% к концу ХХI века.

Солнечная батарея представляет собой плоскую панель, состоящую из размещенных вплотную фотоэлементов и электрических соединений, защищенную с лицевой стороны прозрачным твердым покрытием.

Число фотоэлементов в батарее может быть различным, от нескольких десятков до нескольких тысяч. Площадь панели у больших промышленных солнечных батарей может достигать 1000 м², а максимальная генерируемая мощность — десятков кВт.

В основе действия солнечной батареи лежит принцип работы фотоэлемента, способного преобразовывать падающее на него световое излучение в электрический ток.

В обычный летний день солнечные батареи способны давать до 90 кВт/час. Среднестатистическое потребление электроэнергии семьи из 3-4 человек — около 10 кВт/час. Излишки электроэнергии аккумулируются с помощью электролизера в водород.

В темное время суток электричество вырабатывает энергоустановка с компрессорной системой, использующая ранее запасенный водород.

Хранение водорода является безопасным за счет специальных емкостей из особого сплава.

Фотоэлектрические преобразователи — это батареи, которые за счет полупроводников напрямую преобразуют солнечную энергию. 

Существуют также органические солнечные батареи. Они преобразуют солнечные лучи в электричество с помощью генетически модифицированных клеток, напечатанных на тонком пластике с проводником. 

Технология перспективная, но пока эффективность устройств слишком низкая для того, чтобы создавать на их основе автономные системы питания зданий.

В фотоэлектрических преобразователях используют в качестве полупроводников кремний и арсенид со структурой AlGaAs-GaAs.

Применение солнечных батарей становиться эффективным при объединении их в единую систему с такими устройствами, как аккумуляторы, контроллеры и инвенторы.

Такая система называется солнечной фотоэлектрической системой, или автономной солнечной станцией.

Автономные системы:

1.Солнечные панели

2. Контроллер заряда аккумуляторных батарей + инвертор

3. Аккумуляторные батареи

4. Нагрузка

Автономные фотоэлектрические системы используются там, где нет сетей централизованного электроснабжения.

Для обеспечения энергией в темное время суток или в периоды без яркого солнечного света необходима аккумуляторная батарея.

Такая система часто используется для электроснабжения отдельных домов.

Малые системы позволяют питать базовую нагрузку (освещение и иногда телевизор или радио).

Более мощные системы могут также питать водяной насос, радиостанцию, холодильник, электроинструмент и т.п.

Система состоит из солнечной панели, контроллера, аккумуляторной батареи, кабелей, электрической нагрузки и поддерживающей структуры.

Соединенные с сетью солнечные фотоэлектрические системы

1.Солнечные панели

2. Инвертор

3. Сеть

4. Нагрузка

Когда к зданию существует подвод централизованного электроснабжения, но у собственника есть желание иметь электроэнергию от чистого источника (солнца), солнечные панели могут быть соединены с сетью.

Соединенные с сетью фотоэлектрические системы обычно состоят из одного или многих модулей, инвертора, кабелей и поддерживающей структуры.

Резервные системы

1.Солнечные панели

2. Контроллер заряда аккумуляторных батарей + инвертор

3. Аккумуляторные батареи

4. Сеть

5. Нагрузка

Резервные солнечные системы используются там, где есть соединение с сетью централизованного электроснабжения, но сеть ненадежна. Резервные системы могут использоваться для электроснабжения в периоды, когда нет напряжения в сети.

Фотоэлектрические панели используют как основной или дополнительный источник электрической энергии (в зависимости от региона) в комплексе с другими источниками энергии, к примеру, ветрогенераторами.

Фотоэлектрические панели традиционно размещают на крышах зданий, а также на фасадах зданий.

Монтаж автономной или резервной системы электроснабжения,  в основе которой лежат фотоэлектрические преобразователи, занимает несколько дней.

Солнечные панели устанавливают на крышах зданий или на фасадах - это экономит  полезную площадь.

Их максимально ориентируют на юг и выбирают угол наклона близкий к 45 градусам.

Для крепления панелей (в большинстве случаев их в системе несколько) используются специальные кронштейны.

Остальные составляющие системы (аккумуляторы, контроллер заряда, инвертор и др.) устанавливают в отведенных для этого помещениях, желательно отапливаемых, но не жилых.

Удельная мощность солнечного излучения в Европе при облачной погоде днём может быть менее 100 Вт/м².

С помощью наиболее распространённых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с КПД 9-24 % при стоимости батареи около $1-$3 за Вт номинальной мощности.

При промышленной солнечной генерации электричества цена за кВт ч составит 25 центов.

Установка автономного питания коттеджа на солнечных батареях российского производства будет стоить от 200 до 500 тыс. рублей.

Срок окупаемости комплекса составляет около 3 лет, срок эксплуатации - 25-30 лет.

Стоимость одной установки для 16-17 этажного дома составляет 2 млн рублей. На крыше устанавливается 4 солнечные панели мощностью около 170 Вт каждая.

Энергии хватает на освещение подъезда, лестничных клеток, и территории вокруг дома.

Соединения кремния, применяемые в солнечных батареях,  могут наносить  вред окружающей среде, однако по сравнению с последствиями сжигания природного топлива такой ущерб — капля в море.

Тем не менее, отраслевые ученые ищут способ создания недорогого и экологически безопасного солнечного преобразователя.

В 2007 г. американские и корейские ученые создали органическую солнечную батарею без участия кремниевых соединений.

Такая батарея стоит всего 10 центов за ватт выходной мощности, что в 20 раз дешевле, чем обычные батареи на базе кремния.

Батарея была изготовлена путем последовательного осаждения слоев из раствора, содержащего полупроводники-полимеры и производные фуллеренов, сформировавшие гетероструктуры.

Результат такой солнечной батареи - КПД в 6,5% (при освещенности в 0,2 Вт на 1 см², что выше, чем у имеющихся солнечных панелей, сделанных из органических материалов.

Это не самый высокий КПД в фотоэнергетике, однако есть все основания  для совершенствования полимерных органических батарей: они дешевы, просты в изготовлении и не наносят ущерб окружающей среде.

Известно, что в отдельных лабораториях получены солнечные элементы с КПД 44%.

В 2007г. стало известно о изобретении российскими учёными (г. Дубна) элементов с КПД 54 %, но эти высокоэффективные панели не могут массово использоваться из-за высокой себестоимости.

При продолжении разработки данной технологии можно достичь широкого спроса на солнечные батареи.

С развитием наноиндустрии возможен переход к качественно новым, более эффективным и экономичным технологиям, являющимся конкурентоспособными на мировом рынке.

Однако без должного финансирования науки этот процесс может затянуться на десятки лет.

Солнечные батареи отечественных производителей подают свет только через две-три секунды после включения рубильника в квартире.

Это существенный недостаток, хотя с другой стороны, энергоустановка позволяет снизить общедомовые расходы (если речь идет о высотном доме) на 10%, что скажется и на расходах самих жильцов.

Солнечные фотоэлектрические панели эффективно работают в регионах, где много дней в году светит солнце.

Панели представляют незначительную эффективность, если мало солнечных дней.

География использования солнечных батарей весьма обширна.

В Германии существует национальная программа по созданию преобразователей солнечной энергии, которая охватывает 100 тыс. домов. 

На крышах этих  домов расположены миниэлектростанции из кремниевых батарей.

США и Япония имеют по миллиону солнечных батарей в применении.

Евросоюз вкладывает 3 млрд евро на развитие фотоэнергетики до 2010 г.

Энергию солнца применяют для выработки электричества во многих странах мира, к примеру в Канаде, Греции, Испании, Италии, Израиле, Китае, Корее, и т.д. 

Возможности для применения солнечных батарей в России колоссальны.

Среднегодовые поступления солнечного излучения во многих районах России, в том числе и таких, где ощущается недостаток централизованного энергоснабжения (например, Забайкалье), больше, чем в Испании.

Согласно официальным данным за 2007 г.,  более 10 млн. россиян живут без централизованного электрообеспечения.

Использование альтернативной энергетики, в том числе солнечных панелей, может существенно изменить ситуацию.

http://www.science-award.siemens.ru/information_last_years/powersaving_technologies/references/solar_energetics/

http://www.powerinfo.ru/sun-power.php

http://www.bn.ru/articles/.../29904.html

http://www.nanometer.ru/2009/04/12/internet...FILE.../lyskov.doc

http://www.radioradar.net/.../sun_bat.html

http://ru.wikipedia.org/.../Фотоэлемент

http://www.powerinfo.ru/solar-cell.php

http://www.gingyenergy.com/rus_solar.html

http://www.membrana.ru/lenta/?7455

http://isjaee.hydrogen.ru/pdf/02_07_Andreev1.pdf

Копирайтер: Прохорова Оксана