Солнечный генератор – альтернативный источник энергии. Системы солнечной генерации

Направления научных исследований [ | ]

Фундаментальные исследования [ | ]

Прикладные исследования [ | ]

• Фотоэлектрические преобразователи работают днём и с меньшей эффективностью работают в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, производимая ими электроэнергия может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков на солнечных электростанциях используются эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это недостаточно решённая проблема), либо преобразуют в другие виды энергии, например, строят гидроаккумулирующие станции , которые занимают большую территорию, или концепцию водородной энергетики , которая недостаточно экономически эффективна. На сегодняшний день эта проблема просто решается созданием единых энергетических систем, которые перераспределяют вырабатываемую и потребляемую мощность. Проблема некоторой зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается также с помощью солнечных аэростатных электростанций.
• Сравнительно высокая цена солнечных фотоэлементов. С развитием технологии и ростом цен на ископаемые энергоносители этот недостаток преодолевается. В - гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год.
• Поверхность фотопанелей и зеркал (для тепломашинных ЭС) нужно очищать от пыли и других загрязнений. В случае крупных фотоэлектрических станций, при их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения, но применение отполированного стекла на современных солнечных батареях решает эту проблему.
• Использование одно- и двухосевых трекеров (следящих систем) и систем с изменяемым углом наклона фотоэлектрических модулей позволяет оптимизировать угол падения солнечных лучей на модули в зависимости от времени суток и времени года. Однако практика показала низкую эффективность этих систем ввиду их высокой стоимости (относительно стремительно дешевеющих фотомодулей), дополнительных затрат энергии (для трекеров) либо на работы по изменению угла наклона (для систем с изменяемым углом), невысокой надёжности, в частности - ввиду постоянных атмосферных воздействий, необходимости регулярного обслуживания и ремонтов, а также повреждений модулей и электрического оборудования, вызванных регулярными механическими операциями .
• Эффективность фотоэлектрических элементов падает при их нагреве (в основном это касается систем с концентраторами), поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. Также в фотоэлектрических преобразователях третьего и четвёртого поколений используют для охлаждения преобразование теплового излучения в излучение наиболее согласованное с поглощающим материалом фотоэлектрического элемента (так называемое up-conversion), что одновременно повышает КПД .
• Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться. Отработавшие своё фотоэлементы, хотя и незначительная их часть, в основном специального назначения, содержат компонент (кадмий), который недопустимо выбрасывать на свалку. Нужно дополнительное расширение индустрии по их утилизации .

Экологические проблемы [ | ]

При производстве фотоэлементов уровень загрязнений не превышает допустимого уровня для предприятий микроэлектронной промышленности. Современные фотоэлементы имеют срок службы 30-50 лет. Применение кадмия , связанного в соединениях, при производстве некоторых типов фотоэлементов с целью повышения эффективности преобразования, ставит сложный вопрос их утилизации , который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения, хотя такие элементы имеют незначительное распространение, и соединениям кадмия при современном производстве уже найдена достойная замена.

В последнее время активно развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния , по отношению к массе подложки, на которую наносятся тонкие плёнки. Из-за малого расхода материалов на поглощающий слой, здесь кремния, тонкоплёночные кремниевые фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность и неустранимую деградацию характеристик во времени. Кроме того, развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов на других полупроводниковых материалах, в частности Смиг , достойный конкурент кремнию. Так, например, в 2005 году компания Shell приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству монокристаллических (нетонкоплёночных) кремниевых фотоэлектрических элементов.

Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, что приводит к сильным изменениям почвенных условий, растительности и т. д. Нежелательное экологическое действие в районе расположения станции вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих концентраторы, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Применение низкокипящих жидкостей и неизбежные их утечки в солнечных энергетических системах во время длительной эксплуатации могут привести к значительному загрязнению питьевой воды. Особую опасность представляют жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами.

Способы [ | ]

Способы получения электричества из солнечного излучения:

Развитие [ | ]

В 1985 году все установленные мощности мира составляли 0,021 ГВт.

В 2005 году Производство фотоэлементов в мире составляло 1,656 ГВт.

На начало 2010 года общая мировая мощность фотоэлементной солнечной энергетики составляла лишь около 0,1 % общемировой генерации электроэнергии .

В 2012 году общая мощность мировых гелиоэнергетических установок выросла на 31 ГВт, превысив 100 ГВт.

Крупнейшие производители фотоэлементов в 2012 году :

В 2013 году глобально было установлено 39 ГВт фотоэлектрических мощностей. В результате общая мощность фотоэлектрических установок на начало 2014 года оценивалась в 139 ГВт .

Лидером по установленной мощности является Евросоюз , среди отдельных стран - Китай: с января по сентябрь 2017 года в стране ввели в эксплуатацию 42 ГВт новых объектов фотоэлектрической генерации. По совокупной мощности на душу населения лидер - Германия.

Распространение солнечной электроэнергетики [ | ]

В 2010 году 2,7 % электроэнергии Испании было получено из солнечной энергии .

В 2011 году около 3 % электроэнергии Италии было получено из фотоэлектрических установок .

В декабре 2011 года на Украине завершено строительство последней, пятой, 20-мегаваттной очереди солнечного парка в «Перово », в результате чего его суммарная установленная мощность возросла до 100 МВт . Солнечный парк «Перово» в составе пяти очередей стал крупнейшим парком в мире по показателям установленной мощности. За ним следуют канадская электростанция (97 МВт), итальянская Montalto di Castro (84,2 МВт) и немецкая (80,7 МВт). Замыкает мировую пятерку крупнейших фотоэлектрических парков - 80-мегаваттная электростанция «Охотниково » в Сакском районе Крыма .

В 2018 г. Саудовская Аравия заявила о намерении построить крупнейшую в мире солнечную электростанцию мощностью 200 ГВт .

Рабочие места [ | ]

Перспективы солнечной электроэнергетики [ | ]

В мире ежегодный прирост энергетики за последние пять лет составлял в среднем около 50 % . Полученная на основе солнечного излучения энергия гипотетически сможет к 2050 году обеспечить 20-25 % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов - или 20-25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно .

Процент обеспечения потребностей человечества к 2050 году электроэнергией, полученной на СЭС - это вопрос стоимости 1 кВт·ч при установке солнечной электростанции «под ключ» и развитости мировой энергетической системы, а также сравнительной привлекательности других способов получения электроэнергии. Гипотетически это может быть от 1 % до 80 %. Одно из чисел в этом диапазоне точно будет соответствовать истине.

В 2005 году мир прошел пик добычи нефти и с тех пор углеводородное сырье постепенно и неуклонно иссякает с ускоряющимися темпами в 5-7% в год, поэтому через 15-25 лет нефть и газ уже не будут массово использовать как топливо, и мир вынужден будет переходить полностью на альтернативные источники энергии.

солнечной электростанции значительно меньше 30 лет. Для США, при средней мощности солнечного излучения в 1700 кВт·ч на м² в год, энергоокупаемость поликристаллического кремниевого модуля с КПД 12 % составляет менее 4 лет (данные на январь 2011) .

Перспективы использования солнца для получения электричества ухудшаются из-за высоких издержек. Так, СТЭС Айвонпа обходится вчетверо дороже, а генерирует гораздо меньше электроэнергии, по сравнению с газовыми электростанциями. По подсчётам экспертов, в будущем электроэнергия, вырабатываемая этой станцией, будет стоить вдвое дороже, чем получаемая от обычных источников энергии, а расходы, очевидно, будут переложены на потребителей .

В России перспективы развития солнечной энергетики остаются неопределёнными, страна многократно отстаёт от уровня генерации европейских стран. Доля солнечной генерации составляет менее 0,001 % в общем энергобалансе. К 2020 году запланирован ввод около 1,5-2 ГВт мощностей. Общая мощность солнечной генерации может увеличиться в тысячу раз, однако составит менее 1 % в энергобалансе. Директор Ассоциации солнечной энергетики России Антон Усачев выделяет Республику Алтай , Белгородскую область и Краснодарский край как наиболее развитые регионы с точки зрения солнечной энергетики. В перспективе планируется помещать установки в изолированных от энергосетей районах .

Типы фотоэлектрических элементов [ | ]

Твердотельные [ | ]

Солнечная электростанция установленной мощностью 200Вт на основе батарей поликристаллических элементов

В настоящее время принято различать три поколения ФЭП :

• Кристаллические (первое поколение):
  • монокристаллические кремниевые;
  • поликристаллические (мультикристаллические) кремниевые;
  • технологии выращивания тонкостенных заготовок: EFG (Edge defined film-fed crystal growth technique), S-web (Siemens), тонкослойный поликремний (Apex).
• Тонкоплёночные (второе поколение):
  • кремниевые: аморфные, микрокристаллические, нанокристаллические, CSG (crystalline silicon on glass);
  • на основе теллурида кадмия (CdTe);
  • на основе селенида меди-индия-(галлия) (CI(G)S);
• ФЭП третьего поколения:
  • фотосенсибилизированные красителем (dye-sensitized solar cell, DSC);
  • органические (полимерные) ФЭП (OPV);
  • неорганические ФЭП (CTZSS);
• ФЭП на основе каскадных структур.

Солнечный транспорт [ | ]

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях , самолётах, дирижаблях и т. д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius . Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10 %.

В 1981 году летчик Paul Beattie MacCready совершил полет на самолёте Solar Challenger , питающемся только солнечной энергией, преодолев расстояние в 258 километров со скоростью 48 км/час . В 2010 году солнечный пилотируемый самолет Solar Impulse продержался в воздухе 24 часа. Военные испытывают большой интерес к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) на солнечной энергии, способным держаться в воздухе чрезвычайно долго - месяцы и годы. Такие системы могли бы заменить или дополнить спутники.

См. также [ | ]

Примечания [ | ]

1. (англ.) . Department of Energy . energy.gov. Проверено 2 апреля 2015.
2. Фомичева, Анастасия. «Солнечная генерация будет расти», - Сари Балдауф, председатель совета директоров энергохолдинга Fortum (неопр.) . Ведомости (03.12.2013). Проверено 3 апреля 2015.
3. Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS)
4. Philip Wolfe. Solar Photovoltaic Projects in the Mainstream Power Market. // Oxford: Routledge. - 2012. - С. 240 . - ISSN 978-0-415-52048-5 .
5. BP Statistical Review of World Energy June 2015, Renewables section , (June 2015).
6. Статистическое обозрение Всемирной энергетической организации 2017 года , (June 2017).
7. BFM.RU Солнечные технологии обеспечат четверть электричества.
8. Graph of the Day: World’s top ten solar PV suppliers. 15 April 2013 // RE neweconomy
9. Геро Рютер, Андрей Гурков. Мировая солнечная энергетика: переломный год (неопр.) . Deutsche Welle (29 мая 2013). Проверено 15 июня 2013. Архивировано 19 июня 2013 года.
10. Владимир Сидорович . В текущем году в Китае будет введено более 50 ГВт солнечных электростанций , RenEn (17.10.2017).
11. Paul Gipe Spain Generated 3 % of its Electricity from Solar in 2010 28 Январь 2011 г
12. Paul Gipe Italy Passes 7,000 MW of Total Installed Solar PV 22 Июль 2011 г.
13. Activ Solar построила в Крыму крупнейшую солнечную электростанцию в мире

• Устройство и принцип работы
• Где применяются?
• Преимущества устройства

В настоящее время актуальной становится обеспеченность энергоресурсами отдаленных и труднодоступных районов. Причин этому несколько. Во-первых, электричество - незаменимый элемент комфортного существования современного человека. Во-вторых, снижение затрат за пользование электричеством и постоянная бесперебойная его подача имеют большое значение в наше время. Солнечный генератор - это прибор, с помощью которого можно решить вопросы энергообеспеченности и экономии энергоресурсов.

Устройство и принцип работы

Солнечный генератор представляет собой металлический корпус-моноблок со съемной крышкой. Он состоит из нескольких несложных элементов:

1. Фотопанели, которые создают постоянный ток.
2. Аккумулятор для накопления энергии.
3. Инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный.
4. Контроллер заряда, накапливающий энергию в аккумуляторе.

Принцип работы: солнечная панель собирает энергию от солнца и сохраняет её в аккумуляторе для использования в дальнейшем. При этом вырабатывается постоянный ток. Также батареи обеспечивают питание максимальной нагрузки, то есть ток нагрузки обеспечивает сумма токов от солнечной батареи и аккумулятора.

Если нужно получить 220В переменного тока, то следует использовать преобразователи постоянного тока в переменный. Энергия солнца в генераторе может применяться также напрямую разными нагрузками постоянного тока.

Солнечный генератор электроэнергии имеет предохранительные модули, защищающие от превышения допустимых значений тока и напряжения. Что важно - если в какое-то время нет солнечных лучей, то генератор можно подзарядить от обыкновенной электросети.

Где применяются?

Солнечные генераторы бывают разных моделей и имеют различные характеристики (а именно производительность, ёмкость аккумулятора, время, необходимое для зарядки и т.д.). Но чаще всего у них у всех выходные параметры - розетки на 220 В и выходы на 12 В, а также в наличии дисплей, отображающий работу прибора.
Несмотря на свою универсальность, генераторы на солнечных батареях зависят от погодных условий. А потому могут применяться только в качестве резервного или вспомогательного источника электроэнергии. Особую актуальность это имеет для жилых домов, тем более в отдаленных уголках страны и районах с нестабильным электроснабжением.

Солнечные батареи устанавливаются на улице в местах с наибольшим доступом солнечных лучей, ведь их эффективность напрямую зависима от освещенности. Чаще всего ставят их на крышах домов либо на других подходящих участках. При этом желательно предусмотреть возможность менять угол наклона фотоэлементов. Например, увеличив её до 75-80 градусов, получаем то, что лучи солнца в 12-00 дня практически перпендикулярны поверхности батареи. Солнечные батареи устанавливаются и подключаются очень просто, их удобно обслуживать. К генератору они подключаются с помощью специального сетевого шнура.

Солнечный генератор создан для использования в качестве основного и дополнительного (резервного, аварийного) источника тока частных домов и коттеджей, дач, объектов торговли, демонстрационных площадок, туристических баз и тому подобное. У него весьма обширный спектр использования. Можно применять для обеспечения электричеством осветительных и бытовых приборов (холодильников, телевизоров, ноутбуков, компьютеров, оргтехники), электроинструмента, дренажных и циркуляционных насосов, отопительных котлов и так далее. Время автономной работы у всех моделей разное, но практически все они довольно производительны и могут работать непрерывно до 10-12 часов.

Преимущества устройства

Солнечный генератор имеет такие преимущества:

1. Не зависит от электросети, заряд от энергии солнца.
2. Возможность подзарядки от сети 220 В (или даже от прикуривателя).
3. Выходная мощность переменного тока до 1500 Вт.
4. На выходе 220 В переменного и 12 В постоянного тока.
5. Не боится короткого замыкания.
6. Не зависит от топлива (бензин, дизельное топливо), так как его не потребляет.
7. Работа без шумов.
8. Отсутствие вредных выбросов, альтернативный источник электроэнергии.
9. Возможность применения в помещениях без вентиляции.
10. Эстетичный дизайн, компактность и удобство использования.
11. Наличие светодиодного индикатора зарядки аккумулятора.
12. Регулируемый кронштейн для крепления солнечных панелей.
13. Легко транспортируется.
14. Экономит электроэнергию.

Свой генератор электричества - удовольствие не из дешевых. На начальном этапе придётся понести определенные затраты на его приобретение и установку. Он дороже привычных топливных моделей. Но не стоит об этом беспокоиться, так эти первоначальные инвестиции достаточно быстро окупятся, и уже спустя несколько лет Вы будете наслаждаться бесперебойным электроснабжением, экономя при этом свои деньги.

Можно ли собрать устройство самостоятельно?

Сейчас можно приобрести любую модификацию солнечного генератора, а можно сделать его своими руками. Для этого достаточно иметь необходимые знания по его строению и принципу работы. Можно собрать генератор электрической энергии с любым напряжением и током на выходе путем соединения цепочек фотоэлементов или батарей в последовательно-параллельные комбинации. При этом важно помнить, что параллельное подключение увеличивает мощность, а последовательное - напряжение.

Ни для кого не секрет, что природные ресурсы, используемые человеком, начинают заканчиваться. А благодаря альтернативным источникам энергии, таким как солнечный генератор можно сохранить природные ресурсы и восстанавливать их запасы. В наше время появились технологии, позволяющие использовать на пользу человека щедрый источник энергии - солнечные лучи.

Солнце - это безвозмездный совершенно чистый и неиссякаемый источник энергии. Генератор электрической энергии, несомненно, будет способствовать сохранению экологии на нашей планете и жизни будущих поколений.

О солнечной энергетике и перспективах ее развития ведутся споры и дискуссии уже много лет. Большинство считают солнечную энергетику – энергетикой будущего, надеждой всего человечества. Серьезные инвестиции вкладывает в строительство солнечных электростанций большое количество компаний. Солнечную энергетику стремятся развивать во многих странах мирах, считая ее главной альтернативой традиционным энергоносителям. Германия, являясь далеко не солнечной страной, стала мировым лидеров в этой сфере. Совокупная мощность СЭС Германии растет год от года. Серьезно занимаются разработками в области энергии солнца и в Китае. Согласно оптимистичному прогнозу International Energy Agency, солнечные электростанции к 2050 году смогут производить до 20-25% мировой электроэнергии.
Альтернативный взгляд на перспективы солнечных электростанций базируется на том, что затраты, которые требуются для изготовления солнечных батарей и аккумуляторных систем, в разы превышают прибыль от производимой солнечными электростанциями электроэнергии. Противники этой позиции уверяют, что все как раз наоборот. Современные солнечные батареи способны работать без новых капиталовложений десятки и даже сотни лет, произведенная ими суммарная энергия равна бесконечности. Вот почему в долгосрочной перспективе электроэнергия, полученная с использованием энергии солнца, станет не просто рентабельной, а сверхприбыльной.
Где же истина? Попробуем разобраться в этом вместе с вами, уважаемые читатели. Мы рассмотрим современные подходы в сфере солнечной энергетики и некоторые гениальнейшие идеи, которые на сегодняшний день уже реализованы. Мы попробуем установить КПД солнечных батарей, функционирующих в настоящее время, понять, почему сегодня этот КПД является довольно низким.

Эффективность солнечных батарей в России
Согласно современным исследованиям, солнечная энергия составляет порядка 1367 Ватт на 1 кв.м (солнечная постоянная). На экваторе через атмосферу до земли доходит лишь 1020 Ватт. На территории России с помощью солнечных электростанций (при условии, что КПД солнечных элементов составляет сегодня 16%) в среднем можно получить 163,2 Ватта на квадратный метр.
В с учетом погодных условий, длительности дня и ночи, а также, типа установки солнечных батарей (КПД солнечной батареи не учитывается).
Если в Москве установить квадратный километр солнечных батарей под углом в 40 градусов (что для Москвы оптимально), то годовой объем выработанной электроэнергии составит 1173*0.16 = 187.6 ГВт*ч. При цене на электроэнергию в 3 рубля за кВт/ч, условная стоимость сгенерированной электроэнергии – 561 млн. рублей.

Наиболее распространенные способы генерации электроэнергии с помощью солнца:

Солнечные тепло-электространции
Громадные зеркала таких солнечных электростанций, поворачиваясь, ловят солнце и отражают его на коллектор. Принцип функционирования таких электрогенерирующих станций основан на преобразовании тепловой энергии солнца в механическую электроэнергию термодинамической машины либо с помощью газопоршневого двигателя Стирлинга, либо с помощью нагрева воды и т.п.

В качестве примера рассмотрим электростанцию Ivanpah (мощность 392 мегаватт), в которую вложил свои средства всемогущий Google. В строительство солнечной электростанции, расположенной в калифорнийской пустыне Мохаве, вложено более двух миллиардов долларов США. На 1 кВт установленной мощности СЭС затрачено 5612 долларов. Многие полагают, что эти затраты, хотя и превышают затраты на сооружение угольных электростанций, гораздо ниже, чем затраты на строительство АЭС. Но так ли это? Во первых, на атомной электростанции, на 1 кВт ее установленной мощности расходуется от 2000 до 4000 долларов, что дешевле, чем затраты, которые пошли на строительство Ivanpah. Во вторых, годовая выработка электроэнергии солнечной электростанции – 1079 ГВт*ч, следовательно, ее среднегодовая мощность 123.1МВт. К тому же, солнечная электростанция станция способна генерировать энергию солнца только в дневные часы. Таким образом, «усредненная» стоимость строительства СЭС доходит до 17870 долларов за 1 кВт, а это довольно значительная цена. Пожалуй, дороже обошлась бы разве что выработка электричества в открытом космосе. Затраты на строительство привычных электростанций, работающих, например, на газе, в 20-40 раз ниже. При этом, в отличие от солнечных электростанций, эти электростанции могут функционировать постоянно, производя электроэнергию тогда, когда в ней есть потребность, а не только в те часы, когда светит солнце.
Но мы знаем, что современные солнечные теплоэлектростанции способны генерировать электроэнергию круглосуточно, используя для этого большой объем нагреваемого в течение всего светового дня теплоносителя. Только стоимость строительства этих станций стараются не слишком афишировать, вероятно, потому, что она является значительной. А если в стоимость проектирования и строительства солнечных электростанций включить аккумуляторы, тем более, строительство гидроаккумулирующих электростанций, то сумма возрастет до фантастических размеров.

Кремниевые солнечные батареи
Сегодня для функционирования СЭС применяются полупроводниковые фотоэлементы, которые представляют собой полупроводниковые диоды большой площади. Влетающий в pn-переход световой квант, генерирует пару электрон-дырка, при этом, на выходах фотодиода создается перепад напряжения (порядка 0,5В).
КПД кремниевой солнечной батареи - порядка 16 %. Почему же КПД столь низок? Для того чтобы сформировать электронно-дырочную пару, требуется определенная энергия. Если прилетевший световой квант обладает малой энергией, то генерации пары не произойдет. В этом случае квант света просто пройдет сквозь кремний, как сквозь обыкновенное стекло. Вот почему кремний является прозрачным для инфракрасного света далее 1.2 мкм. Если же световой квант прилетит с большей энергией, чем требуется для генерации (зеленый свет), пара образуется, но избыток энергии просто уйдет в никуда. При синем и ультрафиолетовом свете (энергия которого является очень высокой), квант может не успеть долететь до самых глубин p-n перехода.

Кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало
Изобретатели во всех странах мира предпринимают всевозможные попытки увеличить экономическую рентабельность солнечных электростанций. Если, например, взять маленький эффективный кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало (concentrated photovoltaics), можно достичь КПД в 40 % вместо 16, при этом, зеркало гораздо дешевле, чем солнечная батарея. Но для того чтобы следить за солнцем, требуется надежная механика. Громадная зеркальная поворотная тарелка должна быть надежно укреплена и защищена от мощных ветровых порывов и агрессивных факторов окружающей среды. Вторая проблема заключается в том, что параболические зеркала не могут фокусировать рассеянный свет. Если солнце зашло даже за не плотные тучи, выработка энергии с помощью параболической системы упадет до нуля. У привычных солнечных батарей в этих условиях выработка тепловой энергии тоже серьезно снижается, но не до нуля. Солнечные батареи с параболическими зеркалами слишком дороги по установочной стоимости и затратны в обслуживании.

Круглые солнечные элементы на крышах
Американской компанией Solyndra при поддержки правительства были сконструированы солнечные фотоэлементы круглой формы. Они монтировались на крышах, выкрашенных в белый цвет. Солнечные батареи круглой формы изготавливали путем напыления проводникового слоя (в случае с Solyndra использовался Copper indium gallium (di)selenide) на стеклянные трубы. Фактическая эффективность круглых батарей составляла порядка 8,5 %, что ниже более дешевых кремниевых. Solyndra, получившая государственные гарантии по громадному кредиту, обанкротилась. В технологии, экономическая эффективность от которых была весьма сомнительной с самого начала, американская экономика вложила немалые денежные средства. «Удачное» лоббирование неэффективных технологий – это не только российское ноу хау.

Большая проблема солнечной энергетики!
Известно, что солнечные электростанции генерируют электроэнергию днем, в то время, как огромная потребность в электричестве возникает как раз таки в вечерние часы. Это значит, что без аккумуляторов солнечные электростанции не будут эффективны. В вечерний пик потребления электричества придется задействовать альтернативные (классические) источники электроэнергии. В дневные часы часть традиционных электростанций придется отключить, а часть - держать в горячем резерве на случай плохой погоды. Если над солнечной электростанцией нависнут тучи, недостающую электроэнергию должна давать резервная. В итоге, классические генерирующие мощности стоят в резерве и теряют прибыль.

Использование аккумуляторов
Мы выяснили, что в среднем стоимость одного Ватта, произведенного солнечной батареей - 0,5 доллара. В течение дня (8 часов) батарея способна сгенерировать в пределах 8-ми Вт*ч. Эту энергию необходимо сохранить до вечернего пика потребления электричества.
Литиевые аккумуляторы, разработанные в Китае, стоят приблизительно 0,4 доллара за Вт*ч, следовательно, для солнечной батареи стоимостью 0,5 доллара, на 1 Вт будут необходимы аккумуляторы стоимостью 3,2 доллара, а это в шесть раз превышает стоимость самой батареи. Если учесть, что литиевый аккумулятор рассчитан максимум на 2000 циклов заряда-разряда, что составляет от трех до шести лет, то можно сделать вывод, - литиевый аккумулятор, это чрезвычайно дорогое решение.
Самыми дешевыми аккумуляторами являются свинцово-кислотные. Оптовая цена этих далеко не самых экологичных систем, порядка 0,08 доллара за Вт*ч. Свинцово-кислотные аккумуляторы также, как и литевые, рассчитаны на 3-6 лет работы. КПД свинцового аккумулятора составляет 75 %. Четвертую часть своей энергии этот аккумулятор теряет в цикле заряд-разряд. Чтобы сохранить дневную выработку солнечной энергии понадобится приобрести свинцово-кислотные аккумуляторы на 0.64 доллара. Мы видим, что это также больше, чем стоимость самих батарей.
Для современных СЭС разработаны гидроаккумулирующие электростанции. В течение светового дня в них закачивается вода, а ночью они функционируют как обычные гидроэлектростанции. Но строительство этих электростанций (КПД 90 %) не всегда возможно и чрезвычайно дорого.
Мы можем сделать неутешительный вывод. На сегодняшний день аккумуляторы обходятся дороже, чем сами СЭС. Для крупных солнечных электростанций они не предусмотрены. По мере генерации электроэнергии, крупные солнечные электростанции продают ее в распределительные сети. В вечернее и ночное время электроэнергию вырабатывают обычные электростанции.

Энергия солнца - какова сегодня ее цена?
Возьмем, к примеру, Германию – мирового лидера в использовании солнечной энергетики. Киловатт солнечной энергии, которая генерируется (даже в дневные часы, а ведь такая электроэнергия дешевле), выкупается в этой стране по цене от 12 до 17,45 евроцентов за кВт*ч. Поскольку газовые электростанции в Германии по прежнему строятся, функционируют или находятся в горячем резерве, солнечные электростанции в этой стране фактически просто помогают экономить российский газ.
Стоимость российского газа на сегодняшний день – 450 долларов за тысячу кубометров. Из этого объема газа (КПД генерации 40%) можно выработать приблизительно 4.32 ГВт электроэнергии. Следовательно, на 1 кВт*ч электричества выработанного от солнца, российского газа экономится на сумму в 0,104 доллара или 7,87 евроцента. Вот справедливая стоимость солнечной нерегулируемой генерации. Таким образом, в настоящее время в Германии солнечная энергетика на 50 % дотируется государством. Хотя, необходимо отметить, что Германия стремительно снижает стоимость генерации электроэнергии от солнца.

Делаем выводы
Самое экономичное солнечное электричество (0,5 долларов за 1 Ватт) получают сегодня с помощью солнечных поликристаллических батарей. Все остальные способы получения электричества с помощью энергии солнца, на порядок дороже.
Проблема, которая является ключевой для солнечной энергетики, это все же не КПД солнечных батарей, не цены, и не EROEI, который теоретически бесконечен. Главная проблема заключается в удешевлении способов генерации энергии солнца, полученной в дневные часы и сбережения этой энергии для вечернего пикового потребления. Ведь в настоящее время аккумуляторные системы, срок службы которых от трех до шести лет, в разы дороже самих солнечных батарей.
Солнечная генерация в значительных масштабах рассматривается сегодня только в виде способа экономии небольшой части традиционного ископаемого топлива в дневное время. Солнечная энергетика пока не в силах полностью взять на себя нагрузку в вечерние пиковые часы энергопотребления и уменьшить число АЭС, угольных, газовых и гидроэлектростанций, которые в дневные часы должны стоять в резерве, а в вечерние, брать на себя значительную энергетическую нагрузку.
Если в результате ужесточения тарифов (при которых, например, производителям водорода и алюминия будет выгодно запускать свое электролизное производство в дневные часы) пик потребления электроэнергии сместится на дневные часы, то у энергии солнца появятся более серьезные перспективы для развития.
Стоимость солнечной генерации, которая является «нерегулируемой», несопоставима со стоимостью генерации электроэнергии на привычных электростанциях, которые могут свободно генерировать ее в любое время, когда в этом есть необходимость.
Стоимость солнечной электроэнергии не должна превышать стоимости ископаемого топлива, сэкономленного с ее помощью. Если, например, газ в Германии стоит 450 долларов, то цена солнечной генерации в этой стране не должна превышать 0,1 доллара за киловатт час, в противном случае солнечная энергетика в этой стране является убыточной. До тех пор пока ископаемое топливо будет оставаться дешевым и легкодоступным, генерация солнечной энергии является невыгодной с экономической точки зрения.
В настоящее время использование энергии солнца и дорогостоящих солнечных аккумуляторных систем является экономически оправданным только для тех регионов и объектов, где нет других возможностей подключения к электросетям. Например, на одиноко стоящей, отдаленной станции сотовой связи.
Однако, не стоит забывать следующих важных факторов, которые вселяют оптимизм при рассмотрении солнечной энергетики:
1. Стоимость ископаемого топлива неуклонно растет по мере уменьшения его запасов.
2. Разумная государственная политика делает использование солнечных электростанций выгоднее.
3. Прогресс не стоит на месте! КПД солнечных электростанций повышается, разрабатываются новые технологии в генерировании и аккумулировании электроэнергии.

Поэтому, хочется верить, через 3-5 лет можно будет написать гораздо более позитивный обзор этой отрасли энергетики!

Все комментарии о перспективах солнечной энергетики делятся на 2 категории: «Вот молодцы, а мы только нефть жгем» и "EROEI ! Производство солнечных батарей требует больше энергии чем они производят!".

Въедливый читатель наверняка подумает: Как это производит меньше, чем требуется на производство? Их же поставил - они работают, каши не просят, 10 лет, 50 лет, 100 лет - значит суммарная произведенная энергия равна бесконечности, и они должны быть выгодны при любой стоимости постройки…

Как обстоит все на самом деле, какие есть подходы к солнечной генерации, что ограничивает КПД солнечных элементов, какие гениальные идеи уже были реализованы и почему солнечная энергетика как-то не активно захватывает мир - см. ниже.

Сколько энергии мы получаем от солнца?

На каждый квадратный метр от солнца приходит 1367 Ватт энергии (солнечная постоянная). До земли через атмосферу - доходит порядка 1020 Ватт (на экваторе). Если у нас КПД солнечного элемента 16% - то с квадратного метра мы можем получать в лучшем случае 163,2 Ватта электричества. Но ведь у нас есть погода, солнце не в зените, иногда бывает ночь (разной длительности) - как это все посчитать?

Годовая инсоляция все это учитывает, включая и тип установки солнечной батареи (параллельно земле, под оптимальным углом, со слежением за солнцем) и дает нам понять, сколько электричества можно будет выработать за год в среднем (в кВт*ч/м 2 , без учета КПД солнечной батареи):

Т.е. мы видим, что если мы возьмем 1 км2 солнечных батарей, установим под оптимальным углом в Москве (40.0°), то за год сможем выработать 1173*0.16 = 187.6 ГВт*ч. При цене 3 рубля за кВт/ч _условная_ стоимость сгенерированной энергии будет - 561 млн рублей. Почему условная - выясним ниже.

Основные подходы к получению энергии от солнца

Солнечные тепло-электространции

Огромное поле поворачиваемых зеркал отражает солнце на солнечный коллектор, где тепло превращается в электроэнергию двигателем Стирлинга, или нагревом воды и далее - обычные паровые турбины как на ТЭЦ. КПД - 20-30%.

Также существует вариант с линейным параболическим зеркалом (поворачивать нужно только вокруг одной оси):

Какова цена вопроса? Если посмотреть на электростанцию Ivanpah (392 МВт) в которую опосредованно вложился Google - стоимость её строительства составила 2.2 млрд $, или 5612$ на кВт установленной мощности. В Википедии даже радостно написано, что это хоть и дороже угольных электростанций, но якобы дешевле атомных.

Однако тут есть пара нюансов - 1кВт установленной мощности на АЭС стоит на самом деле 2000-4000$ (в зависимости от того кто строит), т.е. Ivanpah на самом деле уже получается дороже АЭС. Затем, если посмотреть на годовую оценку выработки электроэнергии - 1079 ГВт*ч, и разделить на количество часов в году, то среднегодовая мощность получается 123.1МВт (ведь станция у нас генерирует только днем).

Это доводит «усредненную» стоимость строительства до 17871 $/кВт, что не просто дорого, а фантастически дорого. Дороже наверное только в космосе электричество вырабатывать. Обычные электростанции на газе обходятся в 500-1000$/кВт, т.е. в 18-36 раз дешевле , и работают всегда, а не как повезет.

И последнее - в стоимость строительства не включены аккумуляторы, вообще. Если сюда добавить аккумуляторы (о них ниже) или строительство гидроаккумулирующей электростанции - стоимость вылезет через крышу.

У солнечных теплоэлектростанций есть возможность генерировать электричество круглосуточно, используя большой объем нагретого за день теплоносителя. Такие станции тоже есть, но стоимость их стараются не писать, видимо чтобы никого не пугать.

Полупроводниковые фотоэлементы (фотовольтаика, PV) - идея очень простая, берем полупроводниковый диод большой площади. Когда квант света влетает в pn-переход - генерируются пара электрон-дырка, которые создают перепад напряжения на выводах этого диода (около 0.5В для кремниевого фотоэлемента).

КПД у кремниевых солнечных батарей - около 16%. Почему так мало?

На формирование электронно-дырочной пары требуется определенная энергия, не больше и не меньше. Если квант света прилетает с энергией меньшей, чем нужно - то он не может вызвать генерацию пары, и проходит через кремний как через стекло (потому кремний прозрачен для инфракрасного света дальше 1.2мкм). Если квант света прилетает с энергией большей чем нужно (зеленый свет и короче) - пара генерируется, но лишняя энергия теряется. Если энергия еще выше (синий и ультрафиолетовый свет) - квант может просто не успеть долететь до глубины залегания p-n перехода.

Помимо этого, свет может отразиться от поверхности - чтобы избежать этого на поверхность наносят анти-отражающее покрытие (как на линзах в фотообъективах), и могут поверхность сделать в виде гребенки (тогда после первого отражения у света будет еще один шанс).

Увеличить КПД выше 16% у фотоэлементов можно комбинируя несколько разных фотоэлементов (на основе других полупроводников, и соответственно с другой энергией требуемой для генерации пары электрон-дырка) - сначала ставим тот, что эффективно поглощает синий свет, а зеленый, красный и ИК - пропускает, затем зеленый, и на конец красный и ИК. Именно на таких 3-х ступенчатых элементах и достигаются рекордные показатели эффективности в 44% и выше.

К сожалению, 3-х ступенчатые фотоэлементы оказываются очень дорогими, и сейчас балом правят обычные дешевые одноступенчатые кремниевые фотоэлементы - именно за счет очень низкой цены они вырываются вперед по показателю Ватт/$, Стоимость одного ватта для кремниевых фотоэлементов с вводом гигантских производств в Китае опустилась до ~0.5$/Ватт (т.е. за 500$ можно купить солнечных элементов на 1000 Ватт).

Основные типы кремниевых элементов - монокристаллические (более дорогие, чуть выше КПД) и поликристаллические (дешевле в производстве, буквально на 1% меньше КПД). Именно поликристаллические солнечные батареи сейчас дают самую низкую стоимость 1 Ватта генерируемой мощности.

Из проблем - солнечные батареи не вечные. Даже если не брать в расчет пыль и грязь (надеемся на дождь и ветер), за счет фотодеградации за 20 лет эксплуатации лучшие кремниевые элементы теряют ~15% мощности. Возможно дальше деградация замедляется, но это все равно нужно учитывать.

Пройдемся теперь по основным попыткам увеличить экономическую эффективность:

А давайте возьмем маленький высокоэффективный фотоэлемент и параболическое зеркало
Это называется concentrated photovoltaics. Идея в принципе неплоха - зеркало дешевле, чем солнечная батарея, да и КПД можно иметь 40% а не 16… Проблема только с тем, что теперь нужна (ненадежная) механика для слежения за солнцем, и наша огромная поворотная тарелка должна быть достаточно прочной, чтобы противостоять порывам ветра. Другая проблема - когда солнце заходит за не слишком плотные тучи - выработка энергии падает до нуля, т.к. параболическое зеркало не может рассеянный свет фокусировать (у обычных солнечных батарей выработка конечно падает, но не до 0).

С падением цен на кремниевые солнечные батареи этот подход оказался слишком дорогим (как по установочной стоимости, так и обслуживанию)

А давайте сделаем солнечные элементы круглыми, разместим на крыше, а крышу покрасим в белый цвет
Этим занималась печально известная нынче компания Solyndra, с подачи Барака Обамы получившая гос.гарантию по кредиту в 535 миллионов долларов от американского министерства энергетики… и внезапно объявившая банкротство. Круглые солнечные батареи делали, напыляя слой полупроводника (в их случае Copper indium gallium (di)selenide) на стеклянные трубы. Эффективность солнечных батарей получалась 8.5% (да, получилось хуже простых и дешевых кремниевых).

Яркий пример того, как американский капитализм при должном лоббировании способен по инерции вкачать огромные ресурсы в принципиально не эффективные технологии. По результатам работы никого не посадили.

Дорога ложка к обеду

Теперь после этого буйства непрерывного усовершенствования технологий открываем грустную страницу истории. Солнечные электростанции генерируют электричество днем, а оно больше всего нужно вечером:

Это значит, что если аккумуляторов у нас нет, электростанции на вечерний пик потребления все равно строить придется, а днем - часть должны быть выключены, а часть - находиться в горячем резерве, чтобы если тучки соберутся над солнечной электростанцией - мгновенно заместить выпавшую солнечную генерацию.

Получается, если мы обязываем покупать электричество у солнечных электростанций по обычной цене тогда, когда оно у них генерируется - мы фактически перераспределяем прибыль от существующих классических генерирующих мощностей, которые вынуждены днем простаивать в резерве в пользу солнечных.

Есть и такой интересный вариант - если где-то вечерний пик потребления - где-то на земле разгар дня. Может строить солнечную электростанцию именно там, а электричество передавать по ЛЭП? Это возможно, но требует передачи энергии на расстояния порядка 5-8 тыс км, что также требует огромных капитальных затрат (по крайней мере пока мы не перешли на сверхпроводники) и согласований с кучей стран. Примерно в этом направлении развивался проект Desertec - генерация в Африке, передача в Европу.

Аккумуляторы

Итак, 1 Вт солнечная батарея стоит 0.5$. За день она сгенерирует допустим 8Вт*ч электричества (за 8 солнечных часов). Как нам эту энергию сохранить до вечера, когда она будет больше всего нужна?

Китайские литиевые аккумуляторы стоят примерно 0.4$ за Вт*ч, соответственно, на 1Вт солнечной батареи (ценой в 0.5$) нам понадобится аккумуляторов на 3.2$, т.е. аккумулятор получается в 6 раз дороже солнечной батареи! Помимо этого нужно учитывать, что через 1000-2000 циклов заряд-разряд аккумулятор придется заменить, а это всего 3-6 лет службы. Может есть аккумуляторы дешевле?

Самые дешевые - свинцово-кислотные (которые естественно далеко не «зеленые»), их оптовая цена - 0.08$ за Вт*ч, соответственно, на сохранение дневной выработки нам нужно аккумуляторов на 0.64$, что снова больше стоимости самих солнечных батарей. Свинцовые аккумуляторы также быстро умирают, 3-6 лет службы в таком режиме. Ну и на десерт - КПД свинцовых аккумуляторов - 75% (т.е. четверть энергии теряется в цикле заряд-разряд).

Существует также вариант с гидроаккумулирующими электростанциями (днем - закачиваем воду «вверх» насосом, ночью - работаем как обычная гидроэлектростанция) - но их строительство также обходится дорого, и не везде возможно (КПД - до 90%).

Из-за того, что аккумуляторы получаются дороже самой солнечной электростанции, в крупных электростанциях их и не предусматривают, продавая электричество в распределительную сеть сразу по мере генерации, рассчитывая ночью и вечером на обычные электростанции.

Какова же справедливая цена нерегулируемой солнечной генерации?

Возьмем например Германию, как лидера по развитию солнечной энергетики. Каждый кВт сгенерированный солнечными электростанциями там выкупают по 12.08-17.45 евроцентов за кВт*ч, не взирая на то, что генерируют они в дневной минимум потребления. Все чего они добиваются этим - экономия Российского газа, т.к. газовые электростанции все равно должны быть построены и быть в горячем резерве (и все их остальные расходы остаются неизменными - зарплаты, кредиты, обслуживание).

С экономической точки зрения, было бы справедливо, если бы солнечные электростанции получали ровно столько, сколько они позволяют сэкономить на топливе газовым электростанциям.

Допустим стоимость российского газа - 450 $ за 1 тыс. м3. Из этого объема можно выработать 39000 ГДж ≈10.8*0,4 GWh ≈ 4.32 GWh электричества (при КПД генерации 40%), соответственно, на 1 кВт*ч солнечного электричества мы экономим российского газа на 0.104$ = 7.87 евроцента. Именно такая должна быть справедливая стоимость нерегулируемой солнечной генерации, и похоже Германия постепенно идет к этой цифре, но на данный момент солнечная энергетика в Германии получается на 50% дотируемой.

Резюме

Поликристаллические солнечные батареи дают самое дешевое солнечное электричество, порядка 0.5$/Ватт, остальные способы намного дороже.

Проблема солнечной энергетики не в КПД солнечных элементов, не в EROEI (он действительно в теории бесконечен), и не в их цене - а в том, что сгенерированную энергию очень дорого хранить до вечера. Т.е. основная проблема - аккумуляторы, которые сейчас уже дороже, чем солнечные батареи и при этом имеют короткий срок службы (3-6 лет).

На данный момент крупномасштабную солнечную генерацию без аккумуляторов можно рассматривать только как способ сэкономить днем небольшую часть ископаемого топлива, она принципиально не может уменьшить количество необходимых классических электростанций (газовых, угольных, АЭС, гидро) - они все равно должны стоять в резерве днем, и полностью брать на себя нагрузку в вечерний пик потребления.

Если в будущем с помощью (жестоких) тарифов удасться сместить пик потребления на день - строительство солнечных электростанций обретет бОльший смысл (например, если тарифы будут такие, что будет выгодно включать электролизное производство алюминия и водорода только днем).

Стоимость «нерегулируемой» солнечной генерации нельзя сопоставлять со стоимостью генерации на классических электростанциях - т.к. они генерируют когда получится, а не когда нужно. Справедливая стоимость нерегулируемой солнечной электроэнергии должна быть равна стоимости сэкономленного ископаемого топлива, и не более - для газа по 450$ справедливая цена солнечной генерации не выше 0.1$ за 1кВт*ч (соответственно, в Германии солнечная генерация дотируется на ~50%).

«Честная» солнечная энергетика (с аккумуляторами) сегодня может быть экономически оправданна лишь в удаленных районах, где нет возможности подключиться к сети (как например в случае отдаленной, одиноко стоящей базовой станции сотовой связи).

Самая большая проблема солнечной энергетики - ископаемое топливо пока слишком дешевое, чтобы солнечная генерация была экономически оправданной.

Альтернативные источники энергии, позволяющие обеспечить жилое помещение теплом и электричеством в необходимом объеме – недешевое «удовольствие», требующее значительных финансовых затрат на приобретение, монтаж и установку.

Сделать же солнечный генератор своими руками значительно дешевле и вполне по силам многим домашним мастерам. Рассмотрим инструкцию, доступно описывающую все нюансы процесса изготовления.

Солнечный генератор представляет собой комплекс фотоэлектрических полупроводниковых элементов, напрямую преобразующих энергию солнца в электрическую.

Кванты вырабатываемого лучами света при попадании на фотопластину выбивают электрон с заключительной атомной орбиты рабочего элемента. Этот эффект создает множество свободных электронов, которые и образуют непрерывный поток электрического тока.

Совсем не обязательно, монтируя своими руками солнечный генератор, сразу собирать большой, масштабный комплекс. Можно начать с маленького агрегата, а при необходимости в будущем нарастить объемы

В качестве действующего материала используют кремний. Он отличается высокой эффективностью и обеспечивает коэффициент фотоэлектрического преобразования в обычном режиме на уровне 20%, а при благоприятных условиях — до 25%.

Благодаря выраженной эффективности кремниевых фотоэлементов генераторы, сделанные на их основе, гарантируют высокую отдачу при сравнительно небольшом объеме. Мощность агрегата размером в 1 метр под час выдает 125 Вт, что считается весьма внушительным результатом

На одну сторону пластины кремния наносят тонкое покрытие из пассивных химических элементов – бора или фосфора. Именно на этой поверхности в результате интенсивного воздействия солнечных лучей происходит активное высвобождение электронов. Фосфорная пленка надежно удерживает их в одном месте и не позволяет разлетаться.

На самой рабочей пластине располагаются металлические «дорожки». На них строятся свободные электроны, создавая таким образом, упорядоченное движение, то есть, электрический ток.

К минусам пластин относят только сложность и затратность процесса очистки самого кремния, и, чтобы избежать этих проблем, активно осваивают использование альтернатив в виде галлия, кадмия, индия и различных соединений меди. Однако пока что реальных конкурентов у кремниевых элементов еще нет.

Что нужно для работы?

Для изготовления генератора в домашних условиях требуются такие инструменты и материалы, как:

• модули для преобразования солнечных лучей в энергию;
• алюминиевые уголки;
• деревянные рейки;
• листы ДСП;
• прозрачный элемент (стекло, плексиглас, оргстекло, поликарбонат) для создания защиты для пластин кремния;
• саморезы и шурупы разных размеров;
• плотный поролон толщиной 1,5-2,5 мм;
• качественный герметик;
• диоды, клеммы и провода;
• шуруповерт либо набор отверток;
• паяльник;
• ножовка по дереву и металлу (либо болгарка).

В каком объеме понадобятся материалы, будет напрямую зависеть от запланированного размера генератора. Масштабная работа повлечет за собой дополнительные расходы, но в любом случае обойдется дешевле, чем покупной модуль.

Защитную основу для кремниевых пластин можно делать из стекла, оргстекла, поликарбоната или плексигласа. Первые три материала создают минимальную потерю преобразуемой энергии, а вот четвертый пропускает лучи значительно хуже и заметно снижает эффективность всего комплекса

Для конечного тестирования собранного агрегата используют амперметр. Он позволяет зафиксировать реальное КПД установки и помогает определить фактическую отдачу.

Как правильно выбрать тип фотопреобразователя?

Мероприятия по созданию своими руками солнечного генератора начинают с выбора типа фотоэлектрического кремниевого преобразователя. Эти составляющие бывают трех видов:

• аморфные;
• монокристаллические;
• поликристаллические.

Каждый вариант имеет свои достоинства и недостатки, а выбор в пользу любого из них делают, исходя из объема средств, выделенных на покупку всех компонентов системы.

Аморфные преобразователи

Аморфные модули состоят не из кристаллического кремния, а из его производных (силан или кремниеводород). Путем напыления в вакууме, их тончайшим слоем наносят на высококачественную металлическую фольгу, стекло или пластик.

Готовые изделия имеют блеклый, размыто-серый оттенок. Видимые кристаллы кремния на поверхности не наблюдаются. Основным достоинством элементов считается доступная цена, однако, КПД их очень невелико и колеблется в диапазоне 6-10%.

Аморфные фотоэлементы, изготовленные на основе кремния, обладают повышенной гибкостью, демонстрируют высокий уровень оптического поглощения (в 20 раз больший, чем у моно- или поликристаллических аналогов) и значительно более эффективно работают в пасмурную погоду

Поликристаллические преобразователи

Поликристаллические фотоэлементы производят при постепенном очень медленном охлаждении кремниевого расплава. Получившиеся изделия отличаются насыщенным синим цветом, имеют поверхность с четко выраженным рисунком, напоминающим морозный узор, и проявляют эффективность в районе 14-18%.

Дать более высокую КПД-производительность мешают наличествующие внутри материала области, отделенные от общей структуры зернистыми границами.

Поликристаллические фотоэлементы работают в течение всего 10 лет, но за это время их эффективность не снижается. Однако для монтажа изделий в единый комплекс обязательно используется прочная, твердая основа, так как листы довольно жесткие и требуют крепкой, надежной поддержки

Монокристаллические преобразователи

Монокристаллические модули характеризуются плотным темным цветом и состоят из цельных кристаллов кремния. Их эффективность превышает показатели прочих элементов и составляет 18-22% (при благоприятных условиях – до 25%).

Еще одним достоинством считается впечатляющий срок службы – по заявлению производителей свыше 25 лет. Однако, при продолжительном использовании КПД монокристаллов падает и спустя 10-12 лет фотоотдача уже составляет не более 13-17%.

Модули из монокристаллов стоят значительно дороже, чем другие виды оборудования. Производят их посредством распиливания искусственно выращенных кристаллов кремния

Для создания солнечного генератора дома своими руками преимущественно берут поли- и монокристаллические пластины различных габаритов. Их приобретают в популярных интернет-магазинах, в том числе на eBay или Алиэкспресс.

Из-за того, что фотоэлементы ценятся довольно высоко, многие поставщики предлагают покупателям продукцию группы B, то есть пригодные к полноценной эксплуатации фрагменты с небольшим дефектом. Их стоимость отличается от стандартной цены на 40-60%, благодаря чему сбор генератора обходится в разумную цену, не слишком бьющую по карману.

Как сделать каркас для пластин?

Для изготовления каркаса будущего генератора используют прочные деревянные рейки или алюминиевые уголки. Деревянный вариант считается менее практичным, так как материал требует дополнительной обработки во избежание последующего гниения и расслаивания.

Чтобы деревянный каркас выдержал эксплуатационную нагрузку и не сгнил уже после первого дождя, его необходимо пропитать специальным составом, предохраняющим дерево от воздействия влаги

Алюминий имеет гораздо более привлекательные физические характеристики и благодаря своей легкости не оказывает лишней нагрузки на крышу или другую опорную конструкцию, куда планируется установить агрегат.

Кроме того, за счет антикоррозийного покрытия металл не ржавеет, не гниет, не впитывает влагу и легко переносит воздействие любых агрессивных атмосферных проявлений.

Для создания каркасной конструкции из алюминиевых уголков сначала определяют размер будущей панели. При стандартном варианте на один блок используют 36 фотоэлементов размером 81 мм х 150 мм.

Для корректности последующей эксплуатации между фрагментами оставляют небольшой зазор (около 3-5 мм). Это пространство позволяет учесть изменение базовых параметров основы, подвергшейся воздействию атмосферных проявлений. В результате общий размер заготовки составляет 83 мм х 690 мм при ширине уголка каркаса в 35 мм.

Кремниевые пластины, уложенные в рамку из алюминиевого профиля, выглядят почти как изделия фабричного производства. Прочный и крепкий каркас обеспечивает системе безупречную герметичность и наделяет всю конструкцию высоким уровнем жесткости

После определения размеров из уголков выкраивают необходимые фрагменты и с помощью крепежных элементов собирают их в каркасные рамки. На внутреннюю поверхность конструкции наносят слой силиконового герметика, очень внимательно следя, чтобы не было пропусков и пустот. От этого зависит целостность, прочность и долговечность монтируемой конструкции.

Сверху укладывают защитный прозрачный материал (стекло с антибликовым покрытием, оргстекло либо поликарбонат со специальными параметрами) и надежно крепят его с помощью метизов (по 1 с короткой и по 2 с длинной части рамы и 4 по углам корпуса). Для работы используют шуруповерт и шурупы подходящего диаметра. В конце прозрачную поверхность аккуратно очищают от пыли и мелкого мусора.

Выбор прозрачного элемента

Основные критерии выбора прозрачного элемента для создания генератора:

• способность к поглощению ИК-излучения;
• уровень преломления солнечного света.

Чем ниже показатель преломления, тем выше КПД продемонстрируют кремниевые пластины.

Наиболее низким коэффициентом светоотражения обладают плексиглас и оргстекло. Поликарбонат тоже имеет далеко не лучшие показатели. Для создания каркасных конструкций под домашние гелиосистемы рекомендуется по возможности использовать антибликовое прозрачное стекло или специальный вид поликарбоната с антиконденсатным покрытием, обеспечивающим необходимый уровень термической защиты.

Самыми лучшими характеристиками в плане поглощения ИК-излучения обладают прочное термопоглащающее оргстекло и стекло с опцией ИК-поглощения. У простого стекла эти показатели значительно ниже. От эффективности ИК-поглощения зависит, будут ли греться в процессе эксплуатации кремниевые пластины или нет.

Если нагрев окажется минимальным, фотоэлементы прослужат долго и обеспечат стабильную отдачу. Перегрев пластин приведет к перебоям в работе и быстрому выходу из строя отдельных фрагментов системы или всего комплекса.

Установка кремниевых фотоэлементов

Непосредственно перед установкой защитные стекла, уложенные в алюминиевые рамы, хорошо очищают от пыли и обезжиривают спиртосодержащим составом.

Купленные фотоэлементы ровно располагают на разметочной подложке на расстоянии 3-5 миллиметров друг от друга и делают маркировку углов общей конструкции. Затем приступают к пропайке элементов — самому важному и трудоемкому отрезку работы по сборке генератора.

Пропайку действующих элементов генератора осуществляют по схеме, в которой «+» являются дорожки на внешней стороне, а «-» — каналы, расположенные на изнаночной части пластины. Для корректного соединения контактов сначала наносят флюс (кислота для паяния) и припой, а потом осуществляют обработку в строгой последовательности сверху вниз. В конце все ряды соединяют между собой.

Следующим шагом делают проклейку фотоэлементов. Для этого в центр каждой пластины из кремния выдавливают немного герметика, образовавшиеся цепочки элементов переворачивают внешней стороной вверх и размещают в строгом соответствии с разметкой, нанесенной ранее. Аккуратно руками прижимают пластины, фиксируя их на нужном месте. Действуют очень осторожно, стараясь не повредить и не согнуть материал.

Контакты фотоэлементов, расположенных по краям, выводят на отдельную шину (широкий серебряный проводник), как «+» и «-». Дополнительно комплекс оснащают блокирующим диодом. Соединяясь с контактами, он не дает аккумуляторам разрядиться через каркасную конструкцию в ночное время суток.

В донной части каркаса проделывают дрелью отверстия, через которые провода выводят наружу. Чтобы они не провисали, используют в работе силиконовый герметик.

Как протестировать смонтированный агрегат?

Перед тем, как окончательно загерметизировать собранный генератор, его обязательно тестируют, чтобы выявить потенциально возможные в процессе пайки неисправности. Самый разумный вариант — проверять каждый пропаянный ряд отдельно. Так сразу станет понятно, где контакты соединены плохо и требуется повторная обработка.

Для проведения теста используют бытовой амперметр. Замер осуществляют в безоблачный солнечный день в обеденное время (период с 13 до 15 часов). Конструкцию располагают во дворе и устанавливают под соответствующим углом наклона.

Бытовой амперметр помогает измерить фактическую силу тока. На основании его показаний можно определить уровень работоспособности смонтированной гелиосистемы и выявить нарушения в последовательности соединения кремниевых фотоэлементов

К выведенным контактам солнечной батареи подключают амперметр и осуществляют замер тока короткого замыкания. Если прибор показывает результаты выше 4,5 А, система полностью корректна и все соединения пропаяны четко и правильно. Более низкие данные, появившиеся на дисплее тестера, говорят о нарушениях, которые необходимо отследить и заново перепаять.

Традиционно солнечные генераторы, сконструированные своими руками из фотоэлементов с небольшим дефектом (группа B) на тесте демонстрируют цифры от 5 до 10 Ампер. Агрегаты фабричного производства показывают данные на 10-20% выше. Это объясняется тем, что в производстве используются кремниевые пластины группы А, не имеющие никакого брака в структуре.

Завершающий этап работы

Если тест показал, что батарея полностью работоспособна, ее герметизируют специальным силиконовым герметиком или более дорогим и прочным эпоксидным компаундом. Работа предусматривает два способа проведения.

1. Полная заливка – когда всю поверхность покрывают герметическим составом.
2. Частичная обработка – когда герметик наносят только на крайние элементы и пустое пространство между элементами.

Первый вариант считается более надежным и обеспечивает системе полноценную защиту от воздействия внешних факторов. Фотоэлементы четко фиксируются на своих местах и корректно работают с максимальной отдачей.

Для проклейки фотоэлементов внутри корпуса желательно использовать морозостойкий герметик, способный выдерживать резкие температурные перепады и низкие минусовые показатели

Когда заливка осуществлена, герметику дают «схватиться». Затем прикрывают прозрачным элементом и плотно прижимают к пластинам.

С целью обеспечения дополнительной защиты и амортизации некоторые мастера рекомендуют между поверхностью кремниевой плиты и задней частью каркаса размещать плотный поролон. Это сделает конструкцию более цельной и предохранит от лишней нагрузки хрупкие фотоэлементы

Потом на поверхности размещают груз, который воздействует на слои и выдавливает из них пузырьки воздуха. Готовый генератор тестируют еще раз и окончательно монтируют на заранее подготовленное место.

Где и как разместить генератор?

Место установки солнечного генератора выбирают очень внимательно и без спешки. Пластины, принимающие свет, обязательно размещают под наклоном, чтобы лучи не «падали» на поверхность перпендикулярно, а как бы аккуратно «стекали» по ней. В идеале конструкцию располагают так, чтобы оставалась возможность в случае надобности корректировать угол наклона, таким способом, «улавливая» максимальное количество солнца.

Вполне допустимо поставить гелиосистему на земле, но чаще всего для размещения выбирают крышу дома или подсобного помещения, а именно ту ее часть, что выходит на самую освященную, преимущественно южную сторону участка. Очень важно, чтобы рядом не было высоких зданий и мощных, раскидистых деревьев. Находясь в непосредственной близости, они создают тень и мешают полноценной работе агрегата.

Чтобы солнечные установки качественно работали, их необходимо поддерживать в чистоте и порядке. Слой грязи, образовавшийся на поверхности улавливающей панели, снижает эффективность на 10%, а налипший снег и вовсе отключает агрегат. Поэтому регулярное обслуживание является обязательной процедурой и способствует поддержанию модулей в идеальном эксплуатационном состоянии

Средне-оптимальным для установки солнечного генератора считают уровень угла наклона крыши в 45⁰. При таком расположении фотоэлементы поглощают солнечный поток очень эффективно и выдают необходимый для корректного обеспечения жизнедеятельности дома объем энергии.

Чтобы получить от панелей реальную отдачу и обеспечить среднестатистическую семью нужным количеством энергии, придется занять под солнечный генератор 15-20 кв.м поверхности кровли

Для европейской части государств СНГ действуют несколько другие показатели. Профессионалы рекомендуют брать за основу угол стационарного наклона в 50-60⁰, а в подвижных конструкциях во время зимнего сезона располагать батареи под углом 70⁰ к горизонту.

Летом же менять положение и наклонять фотоэлементы под углом 30⁰.

Установив панели генератора на трек-систему, оборудованную опцией автоматического слежения за солнцем, можно повысить эффективность отдачи на 50%. Модуль самостоятельно выявит интенсивность лучей и будет подстраиваться под максимальную освещенность от рассвета и до заката

Непосредственно перед монтажом крышу дополнительно укрепляют и оснащают специальными прочными опорниками, так как далеко не всякая конструкция обладает способностью выдержать полный вес оборудования для преобразования солнечной энергии.

Чтобы надежно и прочно установить солнечный генератор на крыше, стоит приобрести специальные крепления. Они выпускаются отдельно под каждый тип кровельного покрытия и всегда имеются в продаже. При монтаже между панелями и крышей нужно обязательно оставить зазор для полноценного доступа воздуха и корректной вентиляции солнцепоглощающих элементов

В некоторых случаях под кровлей ставят усиленные стропила, предохраняющие крышу от обрушения, потенциально возможного из-за повышенной нагрузки, существенно возрастающей в зимний сезон, когда на кровельной поверхности скапливается снег.

Выводы и полезное видео по теме

Особенности и нюансы пропайки фотоэлементов для изготовления своими руками в домашних условиях эффективного солнечного генератора. Подсказки и советы для мастеров, любопытные идеи и личные наработки.

Как правильно протестировать фотоэлемент и замерить его основные параметры. Эта информация пригодится при последующих расчетах точного количества пластин, необходимых для полноценной работы системы.

Полное пошаговое описание процесса сбора солнечной батареи для генератора в домашних условиях. Правила работы, начиная от приобретения нужных элементов и заканчивая общим тестом изготовленного прибора.

Зная об устройстве солнечных генераторов, собрать их дома не составит большого труда. Конечно, работа потребует внимания, аккуратности и скрупулезности, но результат оправдает все финансовые и трудовые затраты. Готовый агрегат в полном объеме обеспечит здание теплом и электроэнергией, создав для проживающих необходимый уровень комфорта.

Сразу замахиваться на крупный проект не стоит. Для начала имеет смысл попробовать свои силы на сборке небольшого агрегата, а затем, полностью овладев всеми нюансами процесса, приступить к сооружению более мощной и масштабной установки.