Солнечные батареи для дачи и дома: виды, принцип работы и порядок расчета гелиосистем

Отопление солнечной энергией домов

Принцип работы солнечной батареи для отопления дома кардинально отличает их от всех описанных выше приспособлений. Это совершенно другое устройство. Описание следует ниже.

Главной деталью отопительной системы, работающей на энергии солнца, является коллектор, принимающий его свет и преобразовывающий его в кинетическую энергию. Площадь этого элемента может варьироваться от 30 до 70 квадратных метров.

Для крепления коллектора используется специальная техника. Между собой пластины соединены металлическими контактами.

Следующим компонентом системы является накопительный бойлер. В нем происходит трансформация кинетической энергии в тепловую. Он участвует в нагревании воды, литраж которой может достигать 300 литров. Иногда такие системы поддерживаются дополнительными котлами на сухом топливе.

Завершают систему солнечного отопления настенные и напольные элементы, в которых по тонким медным трубам, распределенным по всей их площади, циркулирует нагретая жидкость. Благодаря низкой температуре запуска панелей и равномерности теплоотдачи, помещение прогревается достаточно быстро.

Как работает солнечное отопление

Давайте подробно рассмотрим принцип работы солнечных батарей от ультрафиолетового света.

По мере прохождения жидкости через слои системы кинетическая энергия преобразовывается в тепло, которое и используется для отопления дома. Этот процесс циркуляции носителя обеспечивает помещение теплом и позволяет сохранять его в любое время суток и года.

Популярные производители солнечных батарей

Чаще всего на прилавках встречается продукция компаний Yingli Green Energy и Suntech Power Ко. Также популярностью пользуются панели HiminSolar (Китай). Их солнечные батареи производят электроэнергию даже в дождливую погоду.

Производство солнечных батарей налажено и у отечественного производителя. Этим занимаются такие компании:

• ООО «Хевел» в Новочебоксарске;
• «Телеком-СТВ» в Зеленограде;
• «Sun Shines» (ООО «Автономные Системы Освещения») в Москве;
• ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов»;
• ЗАО «Термотрон-завод» и другие.

По стоимости всегда можно найти подходящий вариант. Например в Москве на солнечные батареи для дома стоимость будет варьироваться от 21 000 до 2 000 000 руб. Стоимость зависит от комплектации и мощности устройств.

Солнечные батареи не всегда плоские – есть ряд моделей, которые фокусируют свет в одной точке Источник pinterest.com

Основные критерии выбора оборудования

На обеспечение электроснабжения от солнечных коллекторов влияют:

• Продолжительность дня и ночи (ночью солнечные системы прекращают подавать энергию);
• Погодных условий (в пасмурные дни уровень энергообеспечения спадает);
• Сезонности (когда дни становятся короче ночей).

В связи с этим рекомендуется выбирать емкость аккумуляторов 12 вольтовых:

• Только для летнего периода — не менее 400 А/ч на 1 кВт/ч суточного потребления в минимальном режиме;
• Для круглогодичного энергопотребления – не менее 800 А/ч на 1 кВт/ч в минимальном режиме потребления.

При выборе панели учитывается три основных фактора:

1. Геометрия;
2. Тип фотоэлементов;
3. Номинальное выходное напряжение.

Когда стоит вопрос: «приобретать одну большую панель или несколько маленьких», наш совет — лучше одну. Маленькие панели хорошо устанавливать там, где нет возможности установить большую панель (размер ее не превышает 1,5 – 2 метров). В этом случае площадь соединений будет меньше, а уровень надежности повысится.

При выборе напряжения солнечной батареи рекомендуется останавливать на 24 вольтовых панелях, так как у них вдвое меньше рабочие токи, чем у 12 вольтовых панелей той же мощности.

Наиболее часто предлагаемые типы фотоэлементов:

• На монокристаллическом кремнии;
• На поликристаллическом кремнии.

Монокристаллический тип дороже, но его преимущества намного выше поликристаллического.

Если суммарная мощность панелей будет превышать мощность инвертора, это в разы оправдается даже с учетом постоянной мощной нагрузки и мощного аккумуляторного блока.

При выборе размещения панелей учитываются ориентирование дома по сторонам света и его «посадки» на местность. Традиционной ориентацией считается размещение панелей на юг.

Сейчас не проблема приобрести систему отслеживания Солнца. Будут оправданы расходы на такое дополнительное оборудование для солнечного коллектора или нет – решение сугубо индивидуальное.

Важно при выборе панелей учитывать характеристики контролеров, которые различают по типам контролеров зарядов и мощности. В некоторых случаях эффективнее устанавливать мультивольтажные контролеры (рассчитанные на несколько напряжений)

При расчете важно учитывать срок эксплуатации системы, который без существенного понижения КПД может продолжаться 20 – 25 лет. Стоимость системы может быть разной в зависимости от комплектующих: аккумуляторных батарей, фотомодулей и инверторов

Примерно цена 1 кВт мощности варьируется в пределах 2,5 – 3 €

Стоимость системы может быть разной в зависимости от комплектующих: аккумуляторных батарей, фотомодулей и инверторов. Примерно цена 1 кВт мощности варьируется в пределах 2,5 – 3 €.

Какую систему брать для дома, сколько средств потратить на ее приобретение и будут ли эти затраты окупаемы подсчитать не так уж сложно.

26 мая 2014

Виды солнечных батарей

В состав солнечных батарей входят фотоэлементы, изготовленные из разных материалов. Они могут строиться на основе:

• кремния;
• германия;
• арсенид-галлия;
• селена;
• сложных полимеров;
• органических соединений.

Наибольшую популярность получили элементы солнечных батарей, изготавливаемые на основе кремния. Панели из этого материала обладают самым высоким соотношением КПД/стоимость. В свою очередь, кремниевые фотоэлектрические преобразователи делятся на:

• монокристаллические;
• поликристаллические (мультикристаллические);
• аморфные.

Кратко рассмотрим каждый из этих видов.

Монокристаллические

Элемент этого типа, как несложно догадаться из названия, представляет собой тонкий срез одного, но очень большого кристалла кремния. Монокристаллические элементы отличаются довольно высоким (до 25%) КПД, но стоят относительно дорого – вырастить кристалл таких размеров и нужной чистоты, а потом и «распилить» его непросто. Монокристаллический модуль имеет равномерный серый или темно-синий цвет.

Поликристаллические

Элементы этого типа получают путем расплава и медленного охлаждения кремния. В результате образуется пластина, содержащая в себе огромное количество маленьких кристаллов. Мощность каждого из них невелика, но в пластине они работают в параллель и обеспечивают вполне приличные токи. Модули на основе поликристаллов стоят намного меньше монокристаллических, но имеют меньший КПД (обычно не более 18%). Модуль на основе поликристаллов имеет характерный синий или темно-синий цвет с явно выраженной зернистой структурой.

Тонкопленочные модули из аморфного кремния

Такие модули изготавливают путем напыления слоя полупроводника на стекло или полимерную подложку. При этом толщина напыления обычно составляет тысячные миллиметра. Благодаря малому расходу материалов и хорошей технологичности аморфные элементы намного дешевле даже поликристаллических. Кроме того, если в качестве подложки используется полимерная пленка, то такую батарею можно буквально свернуть в трубочку и легко уложить на неровную поверхность.

Платой же за все эти преимущества является низкий – всего 5-8% – КПД. Аморфный модуль имеет равномерный красно-коричневый или черный цвет. Ну а если он выполнен из пленки, то, конечно, легко гнется.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос

На космических станциях и для питания спутников используются гибридные элементы, в которых применяются разные материалы, и выполнены они одновременно по нескольким технологиям. Это позволяет батарее «видеть» очень широкий спектр излучения и повышает КПД элементов до 40-50%.

Источники энергии

Источники энергии, берущиеся из окружающей среды, становятся все более актуальными.

Вода, ветер и солнце являются практически бесконечными источниками, способными обеспечить практически неиссякаемой энергией. Остается только преобразовать ее в электроэнергию.

Причем эти источники доступны не только в промышленных масштабах, ими может воспользоваться и простой обыватель.

Самым оптимальным для владельца дома или дачи является использование солнечной энергии.

Ведь реки есть не везде, существуют и районы, где ветра не так уж и много, а вот дневной свет способен обеспечить электроэнергией практически в любом месте земного шара.

Конечно, полностью обеспечить электроэнергией все приборы в доме за счет энергии солнца удастся не всегда, но часть их – вполне возможно.

Количество вырабатываемой электроэнергии зависит от многих факторов: площади солнечных панелей, материала их изготовления, особенностей дополнительного оборудования, погодных условий.

Пиковая нагрузка и среднесуточное потребление энергии

Удовольствие от наличия собственной солнечной станции по-прежнему дорого стоит. Первым шагом на пути к обладанию мощностью солнечной энергии является определение оптимальной пиковой нагрузки в киловаттах и ​​рационального среднесуточного потребления энергии в киловатт-часах семьи или дачи.

Пиковая нагрузка создается необходимостью включения нескольких электрических устройств одновременно и определяется их максимальной суммарной мощностью с учетом завышенных пусковых характеристик некоторых из них.

Расчет максимального потребления энергии позволяет определить, является ли одновременная работа каких электроприборов жизненно важной, а каких нет. Этому показателю подчиняются силовые характеристики узлов установки, то есть общая стоимость устройства

Ежедневное потребление энергии электроприбором измеряется произведением его индивидуальной мощности на время, в течение которого он работал от сети (потреблялась электроэнергия) в течение дня. Общее среднесуточное потребление энергии рассчитывается как сумма электроэнергии, потребленной каждым потребителем за ежедневный период.

Последующий анализ и оптимизация полученных данных по нагрузкам и потребляемой энергии обеспечит требуемую конфигурацию и последующую работу солнечной энергетической системы с минимальными затратами

Результат потребления энергии помогает рационально подойти к потреблению солнечной электроэнергии. Результат расчетов важен для дальнейшего расчета емкости аккумулятора. Еще больше от этого параметра зависит цена аккумуляторного блока, который является довольно полезным компонентом системы.

Как выбрать систему подогрева бассейна?

Чтобы приобрести подходящее солнечное оборудование, необходимо корректно определить его мощность, а также общую площадь коллектора. Другие темы для размышлений — количество солнечных дней в тот период, когда будет использоваться бассейн, и потенциальный расход теплой воды для него.

Для того чтобы определить общую площадь солнечной батареи, понадобится:

учесть вид резервуара: закрытый или открытый бассейн; подобрать оптимальное место для установки нагревательной системы; выбрать тип солнечного коллектора, найти правильный угол наклона, его ориентированность; обратить внимание на особенности бассейна: на глубину, площадь, объем, тип укрывного материала, цвет покрытия резервуара; определить идеальные температурные значения для местности, необходимую интенсивность подачи подогретой воды

Для любого бассейна эти расчеты индивидуальны, однако есть и общие правила. При открытых искусственных водоемах площадь батарей должна составлять 70-100% от площади резервуара. Для закрытых конструкций — 50-70%.

Подогрев бассейна солнечными батареями – операция, зависящая от нескольких факторов. Если искусственный водоем предназначается для коммерческого использования, то идеальным вариантом станет покупка вакуумного оборудования: оно даст возможность круглогодичной работы бассейна. О полноценном подогреве с помощью одного солнечного оборудования мечтать не приходится, но такие гелиосистемы смогут компенсировать примерно 40% затрат.

Панельные водонагреватели рекомендуют приобретать, если чашу с водой хозяева планируют использовать только в период купального сезона. В этом случае результат будет достигнут, однако зимой эффективность этих устройств заметно падает.

Пирамидальные или гибкие солнечные коллекторы — хороший вариант для небольших бассейнов открытого типа. Если закрывать емкость на то время суток, когда купаться никто не собирается, то теплопотери можно сократить примерно в 2 раза.

Расчёт ёмкости аккумуляторной батареи для солнечных панелей

Примерно так выглядит солнечная электростанция внутри дома

>

Ещё один пример установленных аккумуляторов и универсального контроллера для солнечных батарей

>

Самый минимальный запас ёмкости аккумуляторов

, который просто необходим должен быть такой чтобы пережить тёмное время суток. Например если у вас с вечера и до утра потребляется 3кВт*ч энергии, то в аккумуляторах должен быть такой запас энергии.

Если аккумулятор 12 вольт 200 Ач, то энергии в нём поместиться 12*200=2400 ватт (2,4кВт). Но аккумуляторы нельзя разряжать на 100%

. Специализированные АКБ можно разряжать максимум до 70%, если больше то они быстро деградируют. Если вы устанавливаете обычные автомобильные АКБ, то их можно разряжать максимум на 50%. По-этому, нужно ставить аккумуляторов в два раза больше чем требуется, иначе их придётся менять каждый год или даже раньше.

Оптимальный запас еъёмкости АКБ

это суточный запас энергии в аккумуляторах. Например если у вас суточное потребление 10кВт*ч, то рабочая ёмкость АКБ должна быть именно такой. Тогда вы без проблем сможете переживать 1-2 пасмурных дня, без перебоев. При этом в обычные дни в течение суток аккумуляторы будут разряжаться всего на 20-30%, и это продлит их недолгую жизнь.

Ещё одна немаловажная делать

это КПД свинцово-кислотных аккумуляторов, который равен примерно 80%. То-есть аккумулятор при полном заряде берёт на 20% больше энергии чем потом сможет отдать. КПД зависит от тока заряда и разряда, и чем больше токи заряда и разряда тем ниже КПД. Например если у вас аккумулятор на 200Ач, и вы через инвертор подключаете электрический чайник на 2кВт, то напряжение на АКБ резко упадёт, так-как ток разряда АКБ будет около 250Ампер, и КПД отдачи энергии упадёт до 40-50%. Также если заряжать АКБ большим током, то КПД будет резко снижаться.

Также инвертор (преобразователь энергии 12/24/48 в 220в) имеет КПД 70-80%.

Учитывая потери полученной от солнечных батарей энергии в аккумуляторах, и на преобразовании постоянного напряжения в переменное 220в, общие потери составят порядка 40%. Это значит что запас ёмкости аккумуляторов нужно увеличивать на 40%, и так-же увеличивать массив солнечных батарей на 40%

, чтобы компенсировать эти потери.

Но и это ещё не все потери

. Существует два типа контроллеров заряда аккумуляторов от солнечных батарей, и без них не обойтись. PWM(ШИМ) контроллеры более простые и дешёвые, они не могут трансформировать энергию, и потому солнечные панели не могут отдать а АКБ всю свою мощность, максимум 80% от паспортной мощности. А вот MPPT контроллеры отслеживают точку максимальной мощности и преобразуют энергию снижая напряжение и увеличивая ток зарядки, в итоге увеличивают отдачу солнечных батарей до 99%.Поэтому если вы ставите более дешёвый PWM контроллер, то увеличивайте массив солнечных батарей ещё на 20% .

О преимуществах и недостатках батарей

Преимущество солнечных батарей для дома заключается в следующем:

• Экологически чистый источник энергии, нет негативного воздействия на природу.
• Относительная простота в работе.
• Длительный срок эксплуатации: если относиться бережно, то будут бесперебойно работать десятилетиями.

Из недостатков выделяют такие факторы:

• Низкий коэффициент полезного действия. Чтобы солнечная батарея для дачи дала нужную электроэнергию для семьи из 3 или 4 человек, которые за месяц потребляют 200 киловатт, то, по средним подсчетам, понадобится установить пластины площадью в 12 м².
• Медленная окупаемость при достаточной их дороговизне.
• Для самостоятельной установки солнечных батарей для частного дома нужно хорошо разбираться в сложной сборке и отладке работы. Для их монтажа лучше нанять специалистов.

Все эти моменты нужно учитывать перед тем, как принять решение о приобретении солнечных панелей для своих нужд.

Принцип действия фотоэлектрических преобразователей

Работа фотоэлементов базируется на фотоэлектрическом эффекте: при действии электромагнитных волн на вещество его электронам передается энергия фотонов. Весь рабочий процесс схематически в батареях проходит следующим образом:

1. Солнечное излучение воздействует на внешний (n) и на внутренний (р) слои.
2. В области р-n перехода создаются некомпенсированные электронно-дырочные пары.
3. Возникшие свободные электроны переходят из р-слоя в n-слой. Дырки поступают в обратном направлении.
4. В результате в первой пластине возникает переизбыток электронов. Она получает отрицательный заряд.
5. Вторая пластина становится положительно заряженной.
6. Создается источник постоянного тока.

Принцип действия ФЭП

Через металлические контакты электроны поступают в нагрузку. После нее они попадают обратно в n-слой. Цепь замыкается.

В зависимости от разновидности, ФЭП работают только при действии электромагнитного излучения определенного спектра частот. В двухслойных батареях в фотоэлектрическом движении принимают участие только те электроны, энергии которых достаточно для преодоления запрещенной зоны.

Использование многослойных фотоэлементов позволяет свести к минимуму данное ограничение. Такие приборы поглощают солнечную энергию в большем спектре излучения за счет послойного изменения ширины запрещенной зоны (изменяется от большей к меньшей).

Мощности отдельных ФЭП достаточно только для питания портативных устройств, например, наручных электронных часов. Для получения мощностей, достаточных для запитывания бытовых потребителей, отдельные фотоэлементы соединяют в солнечные модули.

Лучшие солнечные панели для частного дома

Солнечные модули представлены двух типов – кремниевые и пленочные. Выбирайте в зависимости от региона проживания, назначения и стоимости изделия

При покупке рекомендуем обратить ваше внимание на следующих производителей:

• Hevel (Россия) – компания производит микроморфные и гетероструктурные панели с КФП до 20-22% и умеренной стоимостью;
• Axitec (Германия) – моно и поликристаллических фотоэлементы из кремния. Панели мощностью от 260 до 330 Вт;
• TopRaySolar (Китай) – поликристаллические батареи разной мощности (от 20 до 300 Ватт).

Обратите внимание, что выбор компании-производителя не имеет принципиального значения. Ориентироваться нужно на емкость аккумулятора, полупроводники и отзывы покупателей

В интернете можно найти большое количество информации о лучших моделях солнечных батарей, а также обучающие видео по установке

Ориентироваться нужно на емкость аккумулятора, полупроводники и отзывы покупателей. В интернете можно найти большое количество информации о лучших моделях солнечных батарей, а также обучающие видео по установке.

Пример: Установка солнечных батарей на крыше дома:

Подъем и крепление электрических солнечных панелей:

Недостатки солнечных батарей

К сожалению, и этот практически неисчерпаемый источник энергии имеет определенные ограничения и недостатки:

• Высокая стоимость оборудования – автономная солнечная электростанция даже небольшой мощности доступна далеко не каждому. Оборудование частного дома такими аккумуляторами стоит недешево, но помогает снизить расходы на оплату коммунальных услуг (электроэнергии).
• Обустройство собственного жилища солнечными батареями потребует финансовых затрат.
• Периодичность генерации – солнечная электростанция не способна обеспечить полноценную бесперебойную электрификацию частного дома.

• Хранения энергии – в солнечной электростанции аккумуляторная батарея является самым дорогим элементом (даже батареи небольшого объема и панели на гелевой основе).
• Низкий уровень загрязнения окружающей среды – солнечная энергия считается экологически чистой, однако производственный процесс батарей сопровождается выбросами трифторида азота, оксидов серы. Все это создает «парниковый эффект».
• Использование в производстве редкоземельных элементов – тонкопленочные солнечные панели имеют в своем составе теллурид кадмия (CdTe).
• Плотность мощности – это количество энергии, которое можно получить с 1 кв. метра энергоносителя. В среднем этот показатель составляет 150-170 Вт/м2. Это гораздо больше по сравнению с другими альтернативными источниками энергии. Однако несравнимо, ниже чем у традиционных (это касается атомной энергетики).

Виды солнечных батарей

В настоящее время солнечные батареи представлены несколькими вариантами в зависимости от типа их устройства, и от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой.

I. Классификация по типу их устройства:

1. 1. Гибкие;
2. 2. Жёсткие.

II. В зависимости от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой выделяют:

1. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из кремния. Они в свою очередь бывают монокристаллическими, поликристаллическими и аморфными. Монокристаллические панели достаточно дорогой вариант, но они отличаются высокой мощностью. Поликристаллические дешевле, чем монокристаллические панели. Такие панели медленней теряют свою эффективность с увеличением сроков службы, а так же при нагревании. Аморфные представлены в основном тонкопленочными панелями. Такое устройство солнечной батареи позволяет генерировать солнечный свет, даже в плохих погодных условиях;
2. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из теллурида кадмия;
3. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из селена;
4. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из полимерных материалов;
5. Из органических соединений;
6. Из арсенида галлия
7. Из нескольких материалов одновременно.

Основные типы, которые получили распространение, это многопереходные кремниевые фотоэлементы.

Другие материалы не получили широкого распространения в связи с большой стоимостью.

Расчет основных показателей – сколько нужно батарей и какой мощности

Прежде чем начинать выполнение расчетов, следует подготовить специальную таблицу, в которую будут заноситься полученные данные. Вертикальных граф должно быть 30 штук, а горизонтальных – по количеству бытовых приборов, используемых хозяевами.

Предварительный этап

В первом столбце будет указываться номер по порядку бытового прибора. Его название проставляем во второй колонке. Третьей графой проставляем мощность каждого из приспособлений. В следующих 24 столбиках необходимо проставить часы от 01 до 24.

В этих клеточках в виде десятичных дробей будем вносить такие данные:

• числитель представляет собой период каждого прибора в течение конкретного часа (в десятичном выражении);
• знаменателем проставляют индивидуальную мощность электроприбора (такой повтор облегчает процесс дальнейших расчетов).

Графа 28 предназначена для суммирования общего времени работы электроприбора в пределах суток. Следующая колонка содержит данные об энергопотреблении отдельного прибора за прошедшие сутки – эту цифру получают умножением периода работы на потребляемую мощность. В последней вертикальной графе записывают примечания, например результаты промежуточных расчетов.

Сборка бытовой гелиосистемы

Мы сделали вам фото-подборку, которая наглядно демонстрирует процесс сборки бытовой гелиосистемы из изготовленных на заводе модулей:

Галерея изображений

Фото из

Шаг 1: Подготовка к сооружению мини электростанции

Шаг 2: Стандартная комплектация солнечной батареи

Шаг 3: Транспортировка элементов гелиосистемы

Шаг 4: Сборка батарей согласно инструкции производителя

Шаг 5: Угол наклона элемента солнечной электростанции

Шаг 6: Специфика расположения солнечной панели

Шаг 7: Установка аппаратуры для управления гелиосистемой

Шаг 8: Сборка масштабной солнечной электростанции

Подводя итог

При покупке солнечных батарей, российские жители хотят уменьшить затраты на электроэнергию. Коммунальные платежи за электричество самые большие, это касается частных домов и коттеджей. Это будет эффективно только при установке автономной сетевой (подключенной к общей сети электроснабжения). Средний срок окупаемости одной электростанции для дачи 7-8 лет, срок напрямую зависит от тарифа на электроэнергию и географической широты.

Отдельно отметим, что отопительные системы можно сделать своими руками. Однако лучше попросить помощи у друзей, так как оборудование тяжелое и самому переносить его с места на место сложно. Вот, несколько полезных примеров:

Создание солнечного системы, обеспечивающей горячее водоснабжение, электроснабжение и отопление жилого дома.