Энергия солнца

солнечные батареиСолнце — один из самых популярных источников автономной электроэнергии. Наиболее прогрессивные домовладельцы уже давно ощутили все выгоды от использования энергии солнца.

Если ископаемое топливо, от которого мы зависим, рано или поздно закончится, то солнце будет давать свет и энергию ещё миллиарды лет. Учёные считают, что оно — гарант нашего будущего, но приносить практическую пользу солнце может уже сейчас, сводя к нулю счета за потребление электричества.

Солнце и  автономная электроэнергия

Интерес к использованию солнечной энергии за последние десять лет стал значительно больше: люди оценили эффективность этого источника и возможность экономить, которую он даёт. Кроме того, дом, полностью снабжаемый энергией солнца (а это вполне возможно), делает его хозяев полностью независимыми от энергосетей.

Неудивительно, что некоторые семьи используют для своих > бассейнов такие вот нагреватели (на фото), которые позволяют сократить расходы в среднем на 15-30 тыс. руб. в год.

Солнечная батарея — одна из самых выгодных инвестиций в благоустройство жилья. Исследования доказали, что системы, способные генерировать более 3 кВт, значительно увеличивают стоимость дома, в котором установлены. Кроме того, использование солнечных батарей — путь к безопасной и чистой окружающей среде.

ПРАЗДНИК В ЛЮБУЮ ПОГОДУ

тепло акамуляторРазновидностей солнечных батарей существует несколько. Для использования в быту предназначены фотоэлектрические (PV) системы. Такие солнечные батареи генерируют постоянный электрический ток при солнечной погоде. Подобные системы работают превосходно, но только в домах с доступом прямых солнечных лучей. В тенистых местах или лесной местности полного эффекта добиться невозможно. Для установки панелей на кровле идеальны здания, одна из сторон которых обращена на юг. Лучше всего солнечные электрические системы работают в тёплом климате с мягкой или короткой зимой. В других климатических условиях неоценимое значение имеет система поддержки—аккумуляторы или генераторы.

Системы с возможностью хранения энергии, пригодятся поздним вечером или в плохую погоду. Даже после бури вы сможете устроить у себя вечеринку в то время, пока соседи будут ждать помощи от энергетической компании. А ведь её сотрудники восстановят электричество только в порядке очереди.

КОЛЛЕКТОР ИЛИ ПАНЕЛЬ?

Ошибочно считать, что фотоэлектрические солнечные панели решат вопрос и электроснабжения, и отопления. Использовать для обогрева электричество от солнечной батареи — не практично, так как электрообогреватели потребляют много энергии: для получения такого же количества энергии от одного солнечного коллектора потребуется пять солнечных панелей. Так что это тепло обойдётся втрое дороже, чем при отоплении и подогреве воды от солнечного коллектора. Кроме того, аккумулятором тепла выступает бак с водой, который прослужит гораздо дольше электрических аккумуляторов, поскольку срок их службы сокращает большая нагрузка.

Электронагреватели более выгодны для небольших хозяйств со скромным расходом горячей воды, солнечные водонагреватели предпочтительнее для хозяйств с большим расходом горячей воды и там, где электроэнергия слишком дорога или недоступна.

Солнечные коллекторы обеспечат бесплатное отопление с сентября до декабря и с февраля по май. Лишь в декабре и январе из-за короткого светового дня солнечной энергии не хватит, чтобы согреться, и жилище придётся отапливать дополнительно

солнечные панели

из других ресурсов. На 15-20% повысит эффективность работы солнечных коллекторов в самые холодные месяцы система тёплых полов.

ПЛОСКИЕ ИЛИ ВАКУУМНЫЕ?

Для нагрева воды используются два вида коллекторов — плоские и вакуумные, они же трубчатые. Первые представляют собой плоскую коробку с закрытым под стеклом абсорбирующим слоем с трубками, по которым проходит теплоноситель пропиленгликоль. В вакуумном коллекторе вместо одной покрытой стеклом коробки используется ряд больших полых стеклянных трубок-«матрёшек». Внутри каждой находятся трубки с абсорбером тепла, нагревающим теплоноситель. Теплоизолятором служит вакуум между внешней и внутренней трубкой. Две трети используемых солнечных коллекторов в мире—вакуумные и одна треть—плоские. У вакуумных коллекторов ниже теплопотери, поэтому они эффективнее плоских, когда надо нагреть воду до высокой температуры в зимнее время и в пасмурную погоду. Зато плоские благодаря простой конструкции — более прочные и надёжные, вакуумные—более хрупкие. В случае повреждения плоского коллектора его придётся заменить целиком, а в вакуумном достаточно заменить лишь повреждённые трубки, сам модуль при этом будет продолжать работать.

ПО ДЕЛАМ И ОЦЕНКА

Стоимость плоского коллектора зависит от сборки, размера, качества специальных покрытий и стекла. На цену вакуумного коллектора влияет диаметр и длина стеклянных трубок. Чем больше трубки, тем мощнее и дороже коллектор. Имеет значение и тип внутренних теплопроводников: дешевле нагревательные трубки, передающие тепло, дороже—образующие внутренний контур передачи тепла U-трубки. Для нагрева воды в тёплое время года более выгодны пассивные системы, а для солнечного отопления и круглогодичного нагрева воды годятся только активные. боллер косвенного нагреваАктивная система нагрева воды — более сложная и дорогая, чем пассивная, но она и более эффективная, поскольку обеспечивает использование солнечных коллекторов зимой. В этой конструкции бак с водой находится внутри помещения, на крышу выведены только солнечные коллекторы, теплоноситель прокачивается насосом. В пассивной системе солнечный коллектор объединён с баком с водой в единую схему водонагревателя, холодная вода подаётся под напором снизу и греется путём естественной конвекции. Такая система проще по конструкции, легче устанавливается и дешевле активной, но подходит разве что для летней дачи. На зиму воду нужно сливать, чтобы не заморозить коллектор.

ОТ РАСХОДОВ ДО ВЫГОДЫ

Стоимость солнечной системы зависит от её размера, а тот в свою очередь — от размера дома и потребностей в энергии. Для квалифицированного расчёта мощности и компонентов перед установкой выполняется энерго обследование объекта, после чего специалисты определяют оптимальное количество солнечных коллекторов для лучшего результата с наименьшими начальными затратами. Самая существенная экономическая выгода от солнечного коллектора—при использовании его для нагрева воды в системе горячего водоснабжения. При расходах на содержание до 1000 руб. в год солнечный водонагреватель обеспечит дом единовременно от 1 ДО до 300 л (в зависимости от объёма бака) горячей воды и прослужит от 10 до 15 лет. Для сравнения: электрический водонагреватель при годовых расходах на содержание от 2000 до 6000 руб. «держит наготове» 60-120 л горячей воды и служит обычно 5-8 лет. За 10 лет расходы на солнечный водонагреватель составят до 10 тыс. руб., а на электрический — 20-60 тыс. руб.

Выгодно использовать солнечные коллекторы и для отопления. Особенно эффективна комбинированная система из 70% солнечной энергии и 30% электрической. За 20 лет она окажется вдвое дешевле чисто электрической системы и в 2,5 раза дешевле дизельной. А за весь срок эксплуатации дома при постоянном росте тарифов на электричество экономия будет ещё существеннее. В то время как энергоносители будут дорожать, солнечная энергия останется бесплатной. Например, при стоимости 1 кВт-ч электроэнергии 3 руб. за 10 лет система солнечных коллекторов сэкономит 300 тыс. руб., а за 20 лет — 700 тыс. руб. без учёта инфляции. Вакуумный коллектор с Отрубками за отопительный сезон обеспечит до 2200 кВт-ч тепловой энергии, что соответствует теплу от сжигания 400 кг каменного угля или 200 л дизельного топлива. И при этом вам не нужно привозить, засыпать и заливать топливо: энергия солнца приходит в ваш дом сама.

ЧТО ПОЧЁМ

Недорогие пассивные мини-системы для использования в тёплое время года, например с апреля по октябрь, с объёмом накопительного бака от 150 до 300 л стоят 20-50 тыс. руб. Активные системы для круглогодичного солнечного нагрева воды с объёмом накопительного бака от 250 до 500 л обойдутся в 200-350 тыс. руб. в зависимости от комплектации. Плоские солнечные коллекторы примерно втрое дешевле вакуумных. Для дома площадью 100 м2 минимальная система солнечного отопления с объёмом двухконтурного бака 300 л и четырьмя солнечными коллекторами мощностью 6 кВт обойдётся в 180 тыс. руб. Базовый вариант мощностью 9 кВт с 300-литровым баком и шестью плоскими коллекторами для систем с водяными тёплыми полами стоит 217 тыс. руб., с вакуумными — 233 тыс. руб. Расширенная система солнечного отопления и нагрева воды с двухконтурным 500-литровым баком в полтора раза мощнее предыдущей, в её состав входят 9 солнечных коллекторов на 13,5 кВт, она подходит для дома от 100 до 200 м2 и стоит 291 тыс. руб. А самая дорогостоящая — большая система солнечного отопления и нагрева воды. Её вклад в отопление весной и осенью—до 80%, зимой — до 40%. Варианту с 16 солнечными коллекторами, объёмом тепловых аккумуляторов 1000 л и тепловой мощностью 24 кВт под силу обогреть дом площадью 150-250 м2. Цена такой системы — 524 тыс. руб.

СОЛНЦЕ В ЛАДОНЯХ

Для экономии можно попробовать сделать солнечные батареи своими руками. Приготовьте очки, перчатки, сапоги и защиту для лица, поскольку будете иметь дело с острыми материалами (стекло, оргстекло) и легковоспламеняющимися химическими веществами.

МАТЕРИАЛЫ

Прежде всего это качественные фотоэлементы. На рынке представлены фотоэлементы из монокристаллического и поли-кристаллического кремния. Первые имеют КПД до 13%, но при облачности работают неважно. У вторых КПД—до 9%, но в пасмурные дни они работают так же, как и в солнечные. Для домашнего энергоснабжения рекомендуется использовать те поликристаллы, которые продаются в наборах. Все необходимые для сборки ячейки нужно покупать у одного производителя, так как продукция разных марок может отличаться по эффективности. Это создаст трудности при сборке, потребует лишних затрат во время использования и «подарит» низкую мощность солнечной батареи.

Понадобится также паяльное оборудование, алюминиевые уголки, диоды Шоттки, крепёжные болты, медные электропровода высокой мощности, прозрачный лист из плексигласа или поликарбоната, вакуумные подставки из силикона, набор специальных проводников.

ОТ ЗАМЫСЛА К РЕЗУЛЬТАТУ

После приобретения всего необходимого можно приступать к сборке конструкции.

Шаг первый

Собираем на столе единый набор поликристаллических фотоячеек — например, комплект из 40 солнечных элементов, размер каждого из которых —15 х 15 см.

Шаг второй

Припаиваем на фотоэлементы оловянные проводники.

Шаг третий

Все ячейки нужно соединить между собой согласно электрической схеме. При этом очень важно вне зависимости от типа подключения использовать шунтирующие диоды, необходимые для установки на «плюсовой» клемме. Оптимальный вариант для этой цели — диоды Шоттки: они позволяют произвести правильный расчёт величины солнечных батарей для дома и не допустить разрядки батареи ночью. Работоспособность спаянных ячеек следует тестировать в солнечном месте. Если они функционируют нормально, можно приступать к следующему этапу.

Шаг четвертый

Переходим к сборке рамы. Вам потребуются болты и алюминиевые уголки с невысокими бортиками. Наносим на внутренние грани реек силиконовый герметик.

Шаг 1|пятый

Поверх этого слоя укладываем подготовленный лист из поликарбоната или другого прозрачного материала. Для фиксации лист плотно прижимаем к клеевому контуру.

Шаг шестой

Когда герметик просохнет, можно скрепить раму и прозрачную поверхность болтами. Затем размещаем фотоэлементы с проводниками вдоль внутренней прозрачной плоскости. Расстояние между каждыми двумя ячейками — 5 мм (нужно сделать предварительную разметку).

Шаг седьмой

Фиксируем фото ячейки, герметизируем панель, чтобы солнечные батареи на крыше дома прослужили как можно дольше. В этом поможет монтажный силикон, нанесённый на каждый элемент. Закрываем сооружение задней панелью. Когда силикон застынет полностью, целиком герметизируем конструкцию, чтобы все панели плотно прилегали друг к другу.

Шаг восьмой

Подключить солнечную батарею можно одним из двух известных способов — параллельным или последовательным соединением. В первом случае клеммы обоих модулей соединяются по принципу минус к минусу, плюс к плюсу. Из любого модуля берём клемму (+) и (-).

Выводим концы для подключения к котроллеру заряда или аккумуляторной батарее. Если необходимо объединить три модуля в одну систему, действия будут соответствующими: соединяем аналогичные клеммы всех модулей, затем выводим концы (+) и (-). При второй схеме подключения нужно соединить клемму (+) от первого модуля с клеммой (-) от второго. Оставшиеся концы выводим для подключения к контроллеру или аккумуляторной батарее. Принцип будет одним и тем же независимо от количества модулей.

ТОЧНО И ПРОЧНО

Итак, установка солнечной батареи в частном владении — вполне посильное дело. Но чтобы конструкция, на изготовление которой потрачен собственный труд, приносила пользу, нужно учитывать важные нюансы. Сначала смонтируйте каркас и только затем установите конструктивные элементы. Учтите, что большая панель потребует большего количества проводников энергии для заполнения всей «коробки». Чтобы попаданию солнечных лучей на элементы не мешала тень боковых бортиков, они должны быть невысокими. Внутри и снаружи корпус нужно обработать влагостойкой краской. Предусмотрите подложку. В нижней части коробки корпуса должны быть небольшие вентиляционные отверстия. Они позволят поддерживать в радиаторе необходимую температуру и выводить образующийся в ходе работы панели газ.

домНесмотря на отсутствие магистральных энергосетей, у хозяев этого дома в Московской области нет проблем с электричеством и теплоснабжением. Подача и того, и другого осуществляется с использованием солнечных панелей.

Разработка проекта дома производилась с учётом того, что его жизнеобеспечение базируется на солнечных батареях и тепловом насосе. Для этого при планировке строения предусмотрели целую комнату для основного и вспомогательного оборудования. Сам дом расположен таким образом,чтобы попадание солнечных лучей на модули, расположенные на крыше, было максимальным.

Кроме того, расчёт размера и наклона крыши дома соответствует требованиям по установке солнечных панелей.

При этом нельзя было всё подчинять только техническим требованиям, продиктованным особенностями функционирования солнечных батарей. Определённые пожелания были и у хозяев дома. Они хотели иметь большую кухню со столовой и просторную сауну. Для соблюдения всех предъявляемых требований подошёл только один материал — клеёный брус. Он позволяет воплотить любые архитектурные решения и практически не подвержен деформации, давая минимальную усадку.

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

В доме установлено оборудование, необходимое для комфортной жизни: стиральная и посудомоечная машины, кухонная техника, подключён колодезный насос. Работоспособность всей этой техники, включая полное освещение дома, обеспечивают солнечные батареи. И только отопление «поручено» тепловому насосу. Обогрев первого этажа дома обеспечивается тёплыми водяными полами, второй этаж оборудован конвекторами. В результате дом может существовать практически автономно. И для этого в систему привлечены новейшие технические разработки.

В настоящее время большим спросом пользуются фотоэлектрические модули, изготавливаемые с применением прозрачной плёнки аморфного кремния и микрокремниевой плёнки, которые наносят на стеклянное основание солнечной панели. Слой аморфного кремния преобразует в электрическую энергию видимую часть спектра солнца, а микропрозрачная плёнка — энергию солнца невидимого инфракрасного спектра. Такие модули способны превращать солнечную энергию в электричество как в плохую погоду, так и при недостаточной освещённости, при рассеянном свете или в жарком климате. Подходят для регионов со слабой солнечной активностью, для территорий с небольшим количеством солнечных дней в году. Могут использоваться на теневых и северных сторонах. Срок эксплуатации — 10-15 лет.

Скажем несколько слов о преимуществе солнечных панелей с применением кремния.

ПРИНЦИП РАБОТЫ

1. Солнечный модуль преобразует энергию солнца в постоянный ток с помощью полупроводника кремния, а инвертор из постоянного переводит ток в переменный. Получаемую энергию можно использовать и напрямую — различными нагрузками постоянного тока.

2. Контроллер — это главный элемент контроля и управления всей системой электроснабжения. Основная его задача — полностью зарядить аккумулятор, не допуская перегрузок или обратного тока в ночное время. Контроллер обеспечивает полную безопасность обеспечивает работу всей системы электроснабжения на солнечных батареях.

3. Аккумулятор — накопитель энергии.

4. Инвертор — это преобразователь напряжения постоянного тока от аккумуляторов или солнечных батарей, топливных и других генераторов в напряжение 220 В, 50 Гц.

• Низкая стоимость. Производственные затраты на энергию по этой технологии значительно снизились и продолжают падать благодаря инвестициям и научным исследованиям.

• Широкое применение. В дополнение к традиционной установке на крыше фотоэлектрические модули широко применяют для отделки фасадов зданий в качестве отдельных элементов, архитектурных композиций и решений, что до последнего времени считалось невозможным. К тому же такие модули могут устанавливаться как на кровельный материал, так и вместо него.

• Отсутствие дефектов. Производственный процесс довольно простой, поэтому в такой продукции значительно меньше дефектов по сравнению с традиционными солнечными модулями, при производстве которых необходима пайка.

• Независимость от погодных условий. Модули хорошо работают при различных погодных условиях, поскольку их производят из специальных материалов, имеющих продолжительный срок службы.

• Хорошая работа при слабой активности солнца. При рассеянном солнечном свете работа фотоэлектрических модулей лучше, чем поликристаллических, не говоря уже о монокри-сталлических кремниевых панелях.

СОЛНЦЕ В РОЗЕТКЕ

Для функционирования солнечных батарей требуется проложить силовые кабели, связывающие фотоэлектрические модули, установленные на крыше, с системой обслуживания, в которую входят аккумуляторные батареи, контроллер зарядки батарей, инвертор (преобразователь напряжения), расположенные внутри дома.

В зависимости от количества электроприборов нужно рассчитать необходимое количество фотоэлектрических модулей. За основу берут среднесуточное потребление электроэнергии в кВт-ч. Для определения числа фотоэлектрических модулей необходимо знать энергопотребление объекта, мощность модуля (Ртах) и коэффициент инсоляции для конкретной местности (это мера энергии солнечного излучения, полученного на данной площади земной поверхности в данное время). Он характеризует эффективность работы солнца в определённое время года. Коэффициент инсоляции рассчитывают на основании статистических наблюдений с учётом количества солнечных и пасмурных дней, сезонной продолжительности светового дня. И такие данные есть в открытом доступе в Интернете или в специальных изданиях, публикующих карты солнечной инсоляции. Например, в средней полосе России, где построили этот дом, коэффициент солнечной инсоляции с мая по октябрь равен пяти часам солнечной активности в день. Если дом предназначен для круглогодичного проживания, как в нашем случае, то количество фотоэлектрических модулей определяется исходя из худших погодных условий, то есть периода времени с наименьшим сезонным коэффициентом инсоляции. За период с ноября по май он равен трём. С учетом всех указанных выше параметров для обеспечения электроэнергией данного дома потребовались 32 панели стандартных размеров 110×1 ДО мм.

Модули монтируют на крыше с помощью специальных креплений из алюминия. Они универсальны и подходят для установки.