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

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).

Что нужно знать, инвестируя в солнечные батареи

Солнечные батареи рекламируются как инвестиции в дома и в будущее. Однако, есть существенная разница между обычными инвестициями (например, банковские вклады или инвестиционные счета) и покупкой и установкой солнечной фотоэлектрической системы.

Срок службы солнечных батарей — более 30 лет. Окупаемость считается обычно на срок 5-10 лет. После этого срока вы будете получать от солнечных батарей практически бесплатную энергию. Замены потребуют только электронные устройства (солнечные контроллеры, сетевые или батарейные инверторы) — через примерно 15 лет. Если у вас есть в системе аккумуляторы, то их тоже придётся заменять через определённый интервал времени — в зависимости от глубины разряда и от количества циклов периодичность замены колеблется от 3 до 12 лет.  Поэтому система с сетевыми фотоэлектрическими инверторами без аккумуляторов является предпочтительной — она требует минимального обслуживания и наиболее надёжна. Основной её недостаток — ваши солнечные панели перестают работать при перебоях централизованного электроснабжения. Если перерывы у вас редкие и кратковременные, то на этот недостаток можно не обращать внимания.

Факторы, которые влияют на окупаемость ваших вложений в солнечные батареи

Есть несколько переменных, которые влияют на окупаемость ваших солнечных панелей.

• Инфляция будет увеличивать тарифы на электроэнергию от сети каждый год. Целевая инфляция на 2017 год, которую хочет достичь Центробанк РФ — 4%. Как мы видим по опыту нескольких прошедших лет, инфляция колебалась от 7 до 16% в год. Цены на электроэнергию повышались еще больше, чем средняя инфляция. К началу 2018 года инфляция снизилась до целевых 4%, но рост тарифом на электроэнергию продолжается. Очередное повышение цен будет, как обычно, в июле.
• Увеличение цен на электроэнергию будет влиять на то, сколько денег вы сэкономите солнечными батареями на ваших счетах за электроэнергию. Чем выше будет цена, тем больше вы сэкономите.
• Цена на солнечные панели и их установку в валюте постепенно падает. Однако для цен в рублях это совсем не так. Те дальновидные потребители, которые купили солнечные панели в 2012-2014 годах защитили свои сбережения от падения курса рубля. Они «зафиксировали» курс на уровне 33 рублей за доллар и теперь окупаемость их солнечных панелей резко сократилась. У нас есть примеры наших клиентов, у которых солнечная электростанция окупилась уже на 4 года эксплуатации. 
• Снижение процентных ставок на вклады в банках – инвестиции в солнечные батареи часто сравнивают с банковскими вкладами. Т.е. люди считают, что выгоднее — хранить деньги в банке и получать проценты, а на эти проценты покупать электроэнергию от местных энергосетей, или купить солнечные батареи  и получать электроэнергию от них бесплатно. Во времена высоких процентов по вкладам (14-17% годовых) ответ был неоднозначен, и скорее всего в пользу банковского вклада. Но с 2018 года проценты по вкладам уже стали в среднем менее 5% годовых и продолжают снижаться — при таком «раскладе» инвестиции в солнечные батареи становятся более выгодными, чем банковские вклады. Не говоря уже о других инструментах — инвестиционных счетах, ПИФах и т.п., по которым доходность в последние 2-3 года существенно ниже доходности по банковским вкладам.

Убедитесь, что вы вкладываете деньги в высококачественные солнечные батареи. Для того, чтобы сделать правильный выбор, обязательно ознакомьтесь с нашим Руководством покупателя солнечных батарей.

Использование солнечной энергии для получения тепла

Наряду с использованием солнечной энергии для производства электрического тока существуют и не менее распространенные устройства по превращению энергии солнечного света в тепловую энергию. Такие установки называются солнечными коллекторами и служат элементами нагрева для систем отопления и получения горячей воды. Независимо от установленных котлов в отопительных системах и контурах горячего водоснабжения, их комбинация с высокоэффективными солнечными коллекторами позволяет экономить до 36% расходов на отопление и приготовление горячей воды.

Электроснабжение дома с использованием солнечных батарей: 1 — LED-светильники, 2 — электровентилятор, 3 — зарядное устройство для телефона, 4 — маленькая электроплита, 5 — холодильник, 6 — внешнее освещение, А — солнечные фотоэлектрические панели, В — панель управления, С — инвертор + контроллер зарядки + счетчики, D — аккумуляторы, Е — панель обесточивания (отключения), F — резервный генератор

В конструктивном исполнении солнечный коллектор из разряда ходового товара представляет собой прямоугольную панель с габаритами ориентировочно 1х2 м и с толщиной до 100 мм. Главным отличием коллекторов указанных типоразмеров является тепловой поток мощности, т.е. количество тепла, которое может передаться любому жидкому теплоносителю через контактную поверхность. По-другому этот параметр называют коэффициентом потери тепла и который имеет размерность Вт/м²×°К, т.е. передаваемое тепло через площадь для повышения температуры принимающей жидкости. Современные конструкции солнечных коллекторов имеют показатели (одна панель) по тепловой мощности от 1,2 до 5 Вт/м²×°К.

Цены солнечных коллекторов для отопления дома

Например, панель европейского качества с габаритами 1,9х1,8 м (площадь 3,5 м²) и с коэффициентом 2,7 будет стоить около 70 тыс. руб.

С учетом конкуренции аналог китайского производства может быть дешевле на 30-55%, а отечественный прототип на 10-25%.

Если говорить о требуемом комплекте, в который входят: бак, аккумулятор, насос и автоматика, тогда среднерыночная цена такой станции составит 160-170 тыс. руб. Комплект отечественного производства с аналогичными параметрами обойдется в 100-120 тыс. руб.

Монтаж солнечных коллекторов на крышу дома

Можно ли оптимизировать солнечные панели для работы зимой?

Зимой оптимальный угол наклона к горизонту как солнечных батарей, так и солнечных коллекторов будет больше, из-за того, что Солнце зимой более низко над горизонтом. Для того, чтобы получать максимальное количество энергии и зимой, нужно менять угол наклона солнечных батарей или коллекторов. В нашем ассортименте есть специальные монтажные конструкции для солнечных батарей, которые позволяют менять угол наклона в пределах 15-30 или 30-60 градусов. Еще больше энергии можно получить при помощи трекеров, которые следят за ходом Солнца в течение дня. Однако, большинство систем установлены с фиксированным углом наклона (особенно это относится к солнечным коллекторам, т.к. у них сложнее менять угол наклона из-за трубопроводов). Значения углов наклона для максимальной выработки энергии в различные сезоны года и в среднем за год рассматривается в статьях  Угол наклона и направление и Натурные испытания оптимального угла установки СБ.

Влияние снега на работу солнечных батарей

Проблемы, которые может причинить снег солнечным батареям, обычно минимальны

Однако, нужно обратить внимание на следующие моменты, если в вашем регионе снежные зимы и у вас на крыше установлены солнечные батареи:

1. Все солнечные панели рассчитаны выдерживать определенный вес, и снеговая нагрузка обычно гораздо меньше максимально допустимой. Все солнечные панели тестируются под давлением на производстве, чтобы быть уверенным в их сроке службе и качестве. Посмотрите на характеристики солнечной панели, обычно в спецификации указывается максимальный вес, который может выдержать солнечная панель.
2. Если снег закрывает солнечные панели, они не могут производить электричество — но для решения этой проблемы достаточно почистить солнечную батарею специальным оборудованием. Солнечным панелям нужен солнечный свет, чтобы производить электроэнергию. В большинстве случаев солнечные панели устанавливаются под определенным углом, который обеспечивает естественный сход снега с солнечных панелей. Вы можете ускорить этот процесс при помощи ручной очистки снега специальными щетками, которые не повреждают и не царапают солнечные панели.
3. Морозная солнечная погода повышает выработку энергии солнечными батареями.  Пока светит солнце на панели, они вырабатывают электроэнергию, зимой даже лучше, чем летом. Это значит, за 1 час солнечной погоды ваши солнечные панели зимой выработают больше энергии, чем за тот же час, но летом. Общее количество энергии, конечно же, будет меньше, потому что зимой день намного короче, чем летом, и солнечных дней меньше. 

Можно ли надеяться на солнечные батареи зимой?

К сожалению, солнечные батареи и коллекторы не смогут обеспечить вас достаточным количеством энергии в зимнее время. Но некоторые системы работают на удивление эффективно и зимой.

Не надо надеяться на то, что солнечные батареи или коллекторы обеспечат ваши потребности в горячей воде или отоплении, но они помогут существенно сэкономить вам на счетах за электричество. Настолько, что ваша система окупится менее, чем за 10 лет. А если вы не подключены к электросетям и используете генератор для получения электричества, то фотоэлектрическая система окупится за срок от нескольких месяцев до 2-3 лет в зависимости от стоимости топлива и ваших затрат на капитальный ремонт или замену топливного генератора.

Даже с учетом того, что зимой на большей части России приход солнечной радиации снижается, вложения в солнечную энергосистему продолжает оставаться доходным. Более того, есть регионы, где приход солнечной радиации зимой даже больше, чем летом (например, Дальний Восток). В любом случае, солнечные батареи позволяют экономить на платежах за электроэнергию круглый год. 

Эта статья прочитана 21809 раз(а)!

Принцип работы

Принцип работы солнечных батарей заключается в образовании электрической энергии, они никак не накапливают и не образуют её. При прямом попадании лучей солнца на их поверхность они сразу же преобразовываются в ток и выводятся из панели.

Каждая пластина может вырабатывать по 250 Вт, поэтому для улучшения принципа работы их стараются устанавливать ближе друг к другу. Ток, полученный в результате фотосинтеза, через распределитель попадает в аккумуляторы, а потом уже в инвертер электросети дома.

Следует учесть, что объём аккумуляторов солнечных батарей влияет на продолжительность дневной работы батарей. Подзарядка аккумуляторов происходит в течение дня, пока используется энергии образованная на прошлом дне.

Принцип работы прост, и в то же время эффективен благодаря «полупроводнику». Полупроводник содержит атомы которые могут благодаря внешнему электрону захватывать или же отражать другие электроны. Вследствие этого поверхность солнечных батарей покрывается этим материалом. Этим «полупроводником» являются Селен и Кремний.

3 Основные виды

Большие установки способны обеспечить электроэнергией весь дом, а при необходимости и полностью обогреть его. Но это относится только к небольшим частным коттеджам, многоэтажные строения они отопить не смогут.

Что касается комплектации, то она может различаться в зависимости от модели. Как правило, в базовый набор входят:

• вакуумный солнечный коллектор;
• специальный контроллер, следящий за эффективностью работы;
• насос, при помощи которого подается теплоноситель;
• бак объемом 500—1000 литров для горячей воды;
• электрический ТЭН либо тепловой насос.

Перед тем как устанавливать коллекторы, необходимо рассчитать, какая мощность им нужна, чтобы полностью удовлетворить все нужды. При расчете стоит учитывать площадь частного дома, количество проживающих людей, а также расход энергии. Например, для небольшой семьи из трех человек в среднем за месяц потребуется от 200 до 500 Вт/м².

Если планируется обеспечить жилище горячей водой, то затраты на энергию увеличатся. Для эффективности можно сделать комбинированный вариант системы отопления. В таком случае домочадцы будут застрахованы и не останутся без отопления при аварийных и непредвиденных ситуациях.

Принцип действия солнечного элемента

Строение простого солнечного элемента и основной принцип его действия следующие. Берется обычный полупроводник — две пластины, присоединенные друг к другу. Они изготовлены из кремния с добавлением в каждую из них определенных примесей, благодаря которым получаются элементы с нужными свойствами: первая пластина имеет избыток валентных электронов, у второй же, наоборот, их недостаточно. В итоге, в полупроводнике есть слой отрицательно заряженный и слой положительно заряженный, т.е. слои «n» и «p».

На самой границе соприкосновения этих пластин находится зона запирающего слоя. Этот слой препятствует переходу избыточных электронов из слоя «n» в слой «p», где электронов не хватает (места с отсутствующими электронами называют дырками). Если подключить к подобному полупроводнику внешний источник питания («+» к «p» и «-» к «n»), то внешнее электрическое поле заставит электроны преодолеть замыкающую зону и через проводник потечет ток.
Нечто подобное происходит и при действии солнечного излучения на солнечный элемент. Когда фотон света влетает в слои «n» и «p», он передает свою энергию высвобождаемым электронам (находящимся на внешней оболочке атомов), а на их месте появляется дырка. Электроны с полученной энергией свободно преодолевают запирающий слой полупроводника и переходят из слоя «p» в слой «n», а дырки, наоборот, переходят из слоя «n» в слой «p».

Этому переходу электронов их области «p» в область «n» и дырок из области «n» в область «p» также способствуют электрические поля положительных зарядов, находящийся в зоне «n» проводника и отрицательных — в зоне «p», которые будто втягивают в себя, одни — электроны, другие — дырки. В итоге, слой «n» приобретает дополнительный отрицательный заряд, а «p» — положительный. Результатом этого явления будет появление в полупроводнике разности потенциалов (напряжения) между двумя пластинами близкой к 0.5 В.

Сила электрического тока, который может генерировать солнечный элемент, изменяется пропорционально количеству захваченных поверхностью фотоэлемента фотонов. Этот показатель, в свою очередь, также зависит от множества дополнительных факторов: интенсивности светового излучения, площади фотоэлемента, времени эксплуатации, КПД устройства, зависит от температуры (при ее повышении, проводимость фотоэлемента значительно падает).

Вот почему нужно помнить о следующем: солнечные элементы (фотоэлементы, батареи) не способны быть очень мощными, они не могут работать в непрерывном режиме (через естественную смену дня и ночи), для стабилизации основных параметров — силы тока и напряжения — появляется необходимость в использовании дополнительных устройств (стабилизаторы, аккумуляторы и т.д.).

Но как дополнительный источник электроэнергии они прекрасно могут использоваться в тех местах, где требуются небольшие мощности и нет возможности подключится к городской электромагистрали. При совмещении работы солнечного элемента и электрического аккумулятора, получается полностью автономная система электроснабжения, которую можно использовать в районах с хорошей солнечной освещенностью и потребностью в малых электрических мощностях.