- Сонячна батарея - що це таке
- Переваги і недоліки цього виду енергії
- Конструктивні особливості
- Підбір матеріалів для створення панелі
- Виготовлення сонячної батареї для дому своїми руками
- розраховуємо комплектуючі
- етапи виготовлення
- Схема підключення електропостачання будинки з використанням наших батарей
- робимо висновки
Вже не одне десятиліття людство шукає альтернативні джерела енергії, здатні хоча б частково замінити існуючі. І найперспективнішими з усіх на сьогоднішній день видаються два: вітро- і сонячна енергетика.
Правда, ні той ні інший не можуть надати безперервного виробництва. Це пов'язано з непостійністю рози вітрів і суточно-погодно-сезонними коливаннями інтенсивності сонячного потоку.
Сьогоднішня енергетика пропонує три основні методи отримання електричної енергії, але всі вони тим чи іншим чином шкідливі для навколишнього середовища:
- Паливна електроенергетика - сама екологічно брудна, супроводжується значними викидами в атмосферу вуглекислого газу, сажі і марною теплоти, викликаючи скорочення озонового шару. Видобуток паливних ресурсів для неї також завдає значної шкоди природі.
- Гідроенергетика пов'язана з дуже значними ландшафтними змінами, затопленням корисних земель, завдає шкоди рибним ресурсам.
- Атомна енергетика - найбільш екологічно чиста з трьох, але вимагає дуже значних витрат на підтримку безпеки. Будь-яка аварія може бути пов'язана з нанесенням непоправного довголітнього шкоди природі. До того ж вимагає спеціальних заходів щодо утилізації відходів використаного палива.
Сонячна батарея - що це таке
Строго кажучи, отримати електроенергію від сонячного випромінювання можна кількома способами, але більшість з них використовують проміжне її перетворення в механічну, що обертає вал генератора і тільки потім в електричну.
Такі електростанції існують, вони використовують в роботі двигуни зовнішнього згоряння Стірлінга, мають непоганий ККД, але у них є і істотний недолік: щоб зібрати якомога більше енергії сонячного випромінювання, потрібне виготовлення величезних параболічних дзеркал з системами стеження за положенням сонця.
Треба сказати, що існують рішення, що дозволяють поліпшити ситуацію, але всі вони досить дорогі.
Є методи, що дають можливість прямого перетворення енергії світла в електричний струм. І хоча явище фотоефекту в напівпровідниках селен було відкрито вже в 1876 році, але тільки в 1953 році, з винаходом кремнієвого фотоелемента, з'явилася реальна можливість створення сонячних батарей для отримання електроенергії.
У цей час уже з'являється теорія, що дозволила пояснити властивості напівпровідників, і створити практичну технологію їхнього промислового виробництва. До сьогоднішнього дня це вилилося в справжню напівпровідникову революцію.
Робота сонячної батареї заснована на явищі фотоефекту напівпровідникового pn переходу, по суті представляє собою звичайний кремнієвий діод. На його висновках при освітленні виникає фото-ерс величиною 0,5 ~ 0,55 В.
При використанні електричних генераторів і батарей необхідно враховувати відмінності, які існують між фазним і лінійним напругою . Підключаючи трифазний електродвигун в відповідну мережу, можна втричі збільшити його вихідну потужність.
Дотримуючись певних рекомендацій, з мінімальними витратами за ресурсами і часу можна виготовити силову частину високочастотного імпульсного перетворювача для побутових потреб. Вивчити структурні та принципові схеми таких блоків живлення можна тут .
Конструктивно кожен елемент сонячної батареї виконаний у вигляді кремнієвої пластини площею в кілька см2, на якій сформовано безліч з'єднаних в єдину ланцюг таких фотодіодів. Кожна така пластина є окремим модулем, що дає при сонячному освітленні певна напруга і струм.
Поєднуючи такі модулі в батарею і комбінуючи паралельно-послідовне їх підключення, можна отримати широкий діапазон значень вихідної потужності.
Переваги і недоліки цього виду енергії
Основні недоліки сонячних батарей:
- Велика нерівномірність і нерегулярність енерговіддачі в залежності від погоди, і сезонної висоти сонця.
- Обмеження потужності всієї батареї, якщо затінена хоча б одна її частина.
- Залежність від напрямку на сонці в різний час доби. Для максимально ефективного використання батареї потрібно забезпечувати її постійну спрямованість на сонці.
- У зв'язку з вищесказаним, необхідність акумулювання енергії. Найбільше споживання енергії припадає на той час, коли вироблення її мінімальна.
- Велика площа, яка потрібна для конструкції достатньої потужності.
- Крихкість конструкції батареї, необхідність постійного очищення її поверхні від забруднень, снігу і т. П.
- Модулі сонячної батареї працюють найефективніше при 25 ° C. Під час роботи вони нагріваються сонцем до значно більш високої температури, сильно знижує їх ефективність. Щоб підтримувати ККД на оптимальному рівні, необхідно забезпечувати охолодження батареї.
Слід зауважити, що постійно з'являються розробки сонячних елементів, які використовують новітні матеріали і технології. Це дозволяє поступово усувати недоліки, властиві сонячним батареям або зменшувати їх вплив. Так, ККД новітніх елементів, які використовують органічні і полімерні модулі, досягає вже 35% і є очікування досягнення 90%, а це робить можливим при тих же розмірах батареї отримати багато бòльшую потужність, або, зберігши енерговіддачу, значно зменшити габарити батареї.
До речі, середній ККД автомобільного двигуна не перевищує 35%, що дозволяє говорити про досить серйозної ефективності сонячних панелей.
З'являються розробки елементів на основі нанотехнологій, однаково ефективно працюють під різними кутами падаючого світла, що позбавляє від необхідності їх позиціонування.
Таким чином, вже сьогодні можна говорити про переваги сонячних батарей в порівнянні з іншими джерелами енергії:
- Відсутність механічних перетворень енергії і рухомих частин.
- Мінімальні витрати на експлуатацію.
- Довговічність 30 ~ 50 років.
- Тиша при роботі, відсутність шкідливих викидів. Екологічність.
- Мобільність. Батарея для харчування ноутбука і зарядки акумулятора для світлодіодного ліхтарика цілком поміститься в невеликій рюкзаку.
- Незалежність від наявності постійних джерел струму. Можливість підзарядки акумуляторів сучасних гаджетів в польових умовах.
- Невимогливість до зовнішніх чинників. Сонячні елементи можна розмістити в будь-якому місці, на будь-якому ландшафті, аби вони досить висвітлювалися сонячним світлом.
Конструктивні особливості
У пріекваторіальних районах Землі середній потік сонячної енергії становить в середньому 1,9 кВт / м2. У середній смузі Росії він знаходиться в межах 0,7 ~ 1,0 кВт / м2. ККД класичного кремнієвого фотоелемента не перевищує 13%.
Як показують досвідчені дані, якщо прямокутну пластину направити своєю площиною на південь, в точку сонячного максимуму, то за 12-годинний сонячний день вона отримає не більше 42% сумарного світлового потоку через зміну кута його падіння.
Це означає, що при середньому сонячному потоці 1 кВт / м2, 13% ККД батареї і її сумарної ефективності 42% вдасться отримати за 12 годин не більше 1000 x 12 x 0,13 x 0,42 = 622,2 Втч, або 0, 6 кВтг за день з 1 м2. Це за умови повного сонячного дня, в хмарну погоду - значно менше, а в зимові місяці цю величину потрібно розділити ще на 3.
З огляду на втрати на перетворення напруги, схему автоматики, що забезпечує оптимальний зарядний струм акумуляторів і охороняє їх від перезарядження, і інші елементи можна прийняти за основу цифру 0,5 кВтг / м2. Цією енергією можна протягом 12 годин підтримувати струм заряду акумулятора 3 А при напрузі 13,8 В.
Тобто для заряду повністю розрядженої автомобільної батареї ємністю 60 Ач потрібно сонячна панель в 2 м2, а для 50 Ач - приблизно 1,5 м2.
Для того щоб отримати таку потужність можна придбати готові панелі, що випускаються в діапазоні електричних потужностей 10 ~ 300 Вт. Наприклад, одна 100 Вт панель за 12-ти годинний світловий день з урахуванням коефіцієнта 42% якраз забезпечить 0,5 кВтг.
Така панель китайського виробництва з монокристалічного кремнію з дуже непоганими характеристиками коштує зараз на ринку близько 6400 р. Менш ефективна на відкритому сонці, але має кращу віддачу в похмуру погоду полікристалічна - 5000 р.
При наявності певних навичок в монтажі і пайку радіоелектронної апаратури можна спробувати зібрати подібну сонячну батарею і самому. При цьому не варто розраховувати на дуже великий виграш в ціні, крім того, готові панелі мають заводське якість як самих елементів, так і їх складання.
Але продаж таких панелей організована далеко не скрізь, а їх транспортування вимагає дуже жорстких умов і обійдеться досить дорого. Крім того, при самостійному виготовленні з'являється можливість, почавши з малого, поступово додавати модулі і нарощувати вихідну потужність.
Підбір матеріалів для створення панелі
У китайських інтернет-магазинах, а також на аукціоні eBay пропонується найширший вибір елементів для самостійного виготовлення сонячних батарей з будь-якими параметрами.
Ще в недалекому минулому самодельщики набували пластини, відбраковані при виробництві, мають відколи або інші дефекти, але істотно більш дешеві. Вони цілком працездатні, але мають трохи знижену віддачу по потужності. З огляду на постійне зниження цін, зараз це вже навряд чи доцільно. Адже втрачаючи в середньому 10% потужності, ми втрачаємо і в ефективної площі панелі. Та й зовнішній вигляд батареї, що складається з пластин з відколотий шматочками виглядає досить кустарно.
Можна придбати такі модулі і в російських онлайн-магазинах, наприклад, molotok.ru пропонує полікристалічні елементи з робочими параметрами при світловому потоці 1,0 кВт / м2:
- Напруга: холостого ходу - 0,55 В, робочий - 0,5 В.
- Струм: КЗ - 1,5 А, робочий - 1,2 А.
- Робоча потужність - 0,62 Вт.
- Габарити - 52х77 мм.
- Ціна 29 р.
Порада: Треба враховувати, що елементи дуже крихкі і при транспортуванні частина з них може бути пошкоджена, тому при замовленні слід передбачити деякий запас по їх кількості.
Виготовлення сонячної батареї для дому своїми руками
Для виготовлення сонячної панелі нам знадобиться відповідна рама, яку можна зробити самостійно або підібрати готову. З матеріалів для неї найкраще використовувати дюралюміній, він не схильний до корозії, не боїться вогкості, довговічний. При відповідній обробці і фарбуванні для захисту від атмосферних опадів підійде і сталева, і навіть дерев'яна.
Порада: Не варто робити панель дуже великих розмірів: вона буде незручна в монтажі елементів, установці і обслуговуванні. До того ж маленькі панелі мають низьку парусність, їх можна зручніше розмістити під необхідними кутами.
розраховуємо комплектуючі
Визначимося з розмірами нашої рами. Для зарядки 12-ти вольта кислотного акумулятора потрібно робочу напругу не нижче 13,8 В. Приймемо за основу 15 В. Для цього нам доведеться з'єднати послідовно 15 В / 0,5 В = 30 елементів.
Порада: Вихід сонячної панелі слід підключати до акумулятора через захисний діод, щоб уникнути його саморазряда в темний час доби через сонячні елементи. Так що на виході нашої панелі буде: 15 В - 0,7 В = 14,3 В.
Щоб отримати зарядний струм 3,6 А, нам необхідно з'єднати в паралель три таких ланцюжки, або 30 x 3 = 90 елементів. Це буде нам коштувати 90 x 29 р. = 2610 р.
Порада: Елементи сонячної панелі з'єднуються паралельно-послідовно. Необхідно дотримуватися рівність кількості елементів в кожними двома послідовними ланцюжку.
Таким струмом ми можемо забезпечити стандартний режим заряду для повністю розрядженого акумулятора ємністю 3,6 x 10 = 36 Ач.
Реально ця цифра буде набагато меншою через нерівномірність сонячного освітлення протягом дня. Таким чином, для заряду стандартної автомобільної батареї 60 Ач, нам потрібно буде з'єднати паралельно дві таких панелі.
Ця панель може нам забезпечити електричну потужність 90 x 0,62 Вт ≈ 56 Вт.
Або протягом 12-годинного сонячного дня з урахуванням поправочного коефіцієнта 42% 56 x 12 x 0,42 ≈ 0,28 кВтг.
Розмістимо наші елементи в 6 рядів по 15 штук. Для установки всіх елементів нам буде потрібно поверхню:
- Довжина - 15 x 52 = 780 мм.
- Ширина - 77 x 6 = 462 мм.
Для вільного розміщення всіх пластин приймемо габарити нашої рами: 900 × 500 мм.
Порада: Якщо є готові рами з іншими габаритами, можна перерахувати кількість елементів відповідно до наведеними вище намітки, підібрати елементи інших типорозмірів, спробувати розмістити їх, комбінуючи довжину і ширину рядів.
Також нам потрібні:
- Паяльник електричний 40 Вт.
- Припій, каніфоль.
- Монтажний провід.
- Силіконовий герметик.
- Двосторонній скотч.
етапи виготовлення
Для монтажу панелі необхідно підготувати рівне робоче місце достатньої площі зі зручним підходом з усіх боків. Самі пластини елементів краще розмістити окремо в стороні, де вони будуть захищені від випадкових ударів і падінь. Брати їх слід акуратно, по одній.
Пристрої захисного вимкнення підвищують безпеку домашньої електромережі, знижуючи ймовірність ураження електрикою і виникнення пожеж. Детальне ознайомлення з характерними особливостями різних видів вимикачів диференціального струму підкаже, який вибрати УЗО для квартири і будинки.
При експлуатації електролічильника виникають ситуації, коли його треба замінити і заново підключити - про це можна прочитати тут .
Зазвичай для виготовлення панелі використовують спосіб приклеювання попередньо розпаяних в єдиний ланцюг пластин елементів на плоску основу-підкладку. Ми пропонуємо інший варіант:
- Вставляємо в раму, добре закріплюємо і герметизируем по краях скло або шматок плексигласу.
- Розкладаємо на нього у відповідному порядку, приклеюючи їх двостороннім скотчем, пластини елементів: робочої стороною до скла, висновками для пайки - до задньої сторони рами.
- Поклавши раму на стіл склом вниз, ми зможемо зручно розпаювати висновки елементів. Виконуємо електричний монтаж відповідно до обраної принципової схемою включення.
- Склеюємо остаточно пластини з заднього боку скотчем.
- Підкладаємо якусь демпфуючу прокладку: листову гуму, картон, ДВП і т. П.
- Вставляємо в раму задню стінку і герметизируем її.
При бажанні замість задньої стінки можна залити раму ззаду якимось компаундом, наприклад, епоксидкой. Правда, це вже виключить можливість розбирання і ремонту панелі.
Схема підключення електропостачання будинки з використанням наших батарей
Звичайно, однієї батареї в 50 Вт не вистачить для забезпечення енергією навіть невеликого будиночка. Але з її допомогою вже можна реалізувати в ньому освітлення, використовуючи сучасні світлодіодні світильники.
Для комфортного існування міського жителя зараз в добу потрібно не менше 4 кВтг електроенергії. Для сім'ї - відповідно до кількості її членів.
Отже, сонячна батарея приватного будинку для сім'ї з трьох осіб повинна забезпечувати 12 кВтг. Якщо передбачається електропостачання житла тільки від сонячної енергії нам потрібна буде сонячна батарея площею, не менше 12 кВт • год / 0,6 кВтг / м2 = 20 м2.
Цю енергію необхідно запасти в акумуляторних батареях, ємністю 12 кВтг / 12 В = 1000 Ач, або приблизно 16 батарей по 60 Ач.
Для нормальної роботи акумуляторної батареї з сонячною панеллю і її захисту потрібно контролер заряду.
Щоб перетворити 12 В постійного струму в 220 В змінного, потрібен буде інвертор. Хоча зараз на ринку вже в достатній кількості представлено електрообладнання на напруги 12 або 24 В.
Порада: У низьковольтних мережах електропостачання діють струми значно більш високих значень, тому для виконання проводки до потужного обладнання слід вибирати провід відповідного перетину. Проводка для мереж з інвертором виконується за звичайною схемою 220 В.
робимо висновки
За умови акумулювання і раціонального використання енергії, вже сьогодні нетрадиційні види електроенергетики починають створювати солідну надбавку в загальному обсязі її вироблення. Можна навіть стверджувати, що вони поступово стають традиційними.
З огляду на значно знизився останнім часом рівень енергоспоживання сучасної побутової техніки, застосування енергозберігаючих освітлювальних приладів і значно збільшився ККД сонячних батарей нових технологій, можна сказати, що вже зараз вони здатні забезпечувати електроенергією невеликий приватний будинок в південних країнах з великим кількість сонячних днів в році.
У Росії ж вони цілком можуть застосовуватися, як резервні або додаткові джерела енергії в комбінованих системах електропостачання, а якщо ефективність їх вдасться підвищити хоча б до 70%, то цілком реально буде і їх використання в якості основних постачальників електроенергії.