Солнечные панели вызывают интерес в первую очередь у тех, кто сталкивается с проблемами энергоснабжения, а таких людей в России, к сожалению, немало. Смогут ли новые технологии справиться с выработкой энергии для нашего быта?
Солнечные панели вызывают интерес в первую очередь у тех, кто сталкивается с проблемами энергоснабжения, а таких людей в России, к сожалению, немало. Смогут ли новые технологии справиться с выработкой энергии для нашего быта?
Рынок солнечной энергии для россиян пока остаётся диковинкой, а вот для жителей многих стран он уже стал «прозой жизни». Во всяком случае, наши соотечественники, побывавшие за рубежом, обращают внимание на массовое использование солнечных батарей в быту и коммунальном хозяйстве. В число «технологически продвинутых» регионов входят не только солнечные курорты Испании, Италии или, скажем, западное побережье США, но также, например, Германия, Швеция или Финляндия, где климатические условия близки к условиям Европейской части России. Поэтому опыт североевропейских стран для нас особенно интересен.
Солнечные батареи постепенно начинают применяться и в России. В первую очередь — как вспомогательная и аварийная система энергоснабжения, но они могут работать и автономно. Некачественное энергоснабжение обычно характерно для сельской местности — скажем, устаревшая сеть не рассчитана на большую нагрузку (раньше расчётная нагрузка на один дом составляла 2,5 кВт). Такая сеть способна выдержать подключение холодильника, телевизора и нескольких осветительных приборов. Если при этом будет работать ещё и современная стиральная машина с подогревом воды, то, вероятно, возникнут проблемы. Ну а при подключении более мощного водонагревателя или сварочного аппарата сеть просто не выдержит.
Солнечные батареи позволяют компенсировать недостаточную мощность сети (обычно 1,5-3 кВт) без потери комфорта. Причём управляющий компьютер способен составить расписание включения-выключения основных энергопотребляющих устройств в доме в зависимости от предполагаемого объёма выработанной электроэнергии, которую он высчитывает на основании метеопрогнозов, полученных через сети связи (Интернет). Допустим, завтра ожидается солнечная погода — значит, можно запланировать стирку.
Как выбрать систему солнечных батарей
Автономная система энергоснабжения, помимо солнечных батарей, включает в себя ещё несколько компонентов. Перечислим основные из них. • Инвертор — так сокращённо называют инверторный преобразователь постоянного тока в переменный (и наоборот). Инвертор — важнейшее устройство системы, к которому подключаются и другие источники тока (солнечные батареи, ветрогенератор, дизельный генератор и т. д.) через соответствующие контроллеры, комплект аккумуляторных батарей, внешнюю и внутридомовую электросети. Следует учесть, что модели инверторов, используемые совместно с электросетью, отличаются по конструкции от работающих автономно.
- Контроллеры заряда солнечных батарей — устройства, отвечающие за эффективное преобразование вырабатываемой электроэнергии. Без контроллеров невозможна работа солнечных панелей с аккумуляторами — их пришлось бы вручную отключать от аккумуляторных батарей каждую ночь и в конце каждого заряда. Кроме того, контроллеры повышают эффективность функционирования солнечных панелей на 30-50 %.
- Аккумуляторные батареи (АКБ) запасают энергию, ведь солнечные панели работают только в светлое время суток. Мы подробно поговорим о них в отдельной статье.
- Реле управления внешними устройствами. В автономной системе они используются для включения и выключения групп устройств, на которые подаётся электроэнергия. Также реле применяются, например, для автоматического включения дизельного генератора в случае сильного снижения уровня заряда АКБ.
Кроме того, в систему могут входить дополнительные генераторы тока. Чаще всего — дизельный генератор, который играет роль аварийного, когда капризы погоды не позволяют солнечным батареям работать на полную мощность. Дизельный генератор целесообразнее использовать в системах с большим периодом времени отключения от сети (от нескольких суток и более).
Перед подбором компонентов системы необходимо рассчитать её технические характеристики — они будут определяться временем автономной работы установки, а также объёмом электроэнергии, который должны вырабатывать солнечные батареи. Оба параметра обуславливают стоимость системы, и при их выборе неопытные пользователи часто допускают досадные ошибки. Лучше всего доверить расчёт профессионалам.
Типы солнечных батарей
Производительность и долговечность солнечных батарей могут сильно различаться. Так, у недорогих китайских панелей КПД всего 4-5 %, а срок службы составляет 3-4 года. «Нормальные» батареи (в том числе китайские) имеют КПД 12-15 %, а срок службы — 25 лет. У высококлассных производителей (Куосеrа, Sharp, Panasonic, Samsung) КПД батарей может достигать 15-18 %, а срок службы измеряется десятками лет. Зато и стоят такие устройства на порядок дороже. С каждым годом эффективность переработки солнечного света в электроэнергию растёт. Так, в 2014 г. разработанные Panasonic солнечные панели HIT, представляющие собой пластины из монокристаллического кремния, который окружён сверхтонкой плёнкой из аморфного кремния, обеспечили рекордный КПД в 25,6 %. В ближайшие годы ожидается появление панелей с КПД выше 30 %.
Солнечные панели изготавливаются из кремния и в зависимости от его структуры бывают трёх типов: монокристаллические, поликристаллические и из аморфного кремния. Все разновидности имеют свои особенности. Монокристаллические панели принято считать самыми лучшими. У них высокий КПД (около 18 % у элементов, 15,5 % у собранных из них батарей), срок службы около 50 лет. Однако эти устройства сложны в изготовлении и дороже моделей других типов. Поликристаллические панели состоят, грубо говоря, из осколков монокристалла. Отличаются меньшим КПД (15 % у элементов и 12 % у всей системы), срок службы составляет 20-25 лет. Зато они стоят дешевле монокристаллических. Панели из аморфного кремния по своим характеристикам примерно соответствуют поликристаллическим (несколько лет назад аморфные устройства отставали по сроку службы, который составлял 5-10 лет, но у новых моделей параметры значительно улучшились).
Солнечные батареи различаются и по эффективности работы в разных условиях. Так, монокристалл и поликристалл хорошо функционируют при ярком солнечном освещении, а при облачности выработка энергии у них заметно падает. Панели из аморфного кремния в пасмурную погоду работают немного лучше, чем устройства из монокристалла или поликристалла (при одинаковой установленной мощности). Поэтому первые предпочтительнее во время малосолнечного и дождливого лета. Кроме того, батареи из аморфного кремния менее зависимы от точности ориентации плоскости панели относительно угла падения солнечных лучей. Эффективны они и при косых лучах солнца. Кристаллические батареи рекомендуется размещать так, чтобы угол падения солнечных лучей был максимально близок к 90°. Однако аморфники имеют меньший срок службы и занимают достаточно большую площадь при одинаковой с монопанелями мощности (из-за низкого КПД), поэтому с финансовой точки зрения их установка менее выгодна. Солнечные батареи обычно монтируют на крыше. Лучше всего подходит южный скат, особенно если угол его наклона совпадает с географической широтой.
Также распространён вариант размещения на двух смежных скатах, развёрнутых в юго-западном и юго-восточном направлениях. В этом случае на каждый скат помещают половину батарей. При этом общий объём выработанной электроэнергии немного уменьшается, но увеличивается время работы панелей. Когда оптимальное (в нашем случае — южное) направление использовать не получается, солнечные батареи можно разместить на скатах, развёрнутых на восток или запад. При этом придется увеличить количество панелей, чтобы компенсировать снижение эффективности их работы. В населённых пунктах с географической широтой 55-60° и больше солнечные батареи можно располагать вертикально — на стене или даже на заборе. Если не удаётся разместить их на имеющихся сооружениях, для установки выбирают поворотные стенды, позволяющие использовать солнечные лучи с максимальной эффективностью. Стоимость стенда, изготовленного фабричным способом, составляет 50-70 тыс. руб., но можно сэкономить, уменьшив количество панелей, цена которых составляет по 10-20 тыс. руб. и более. Отдача от поворачивающихся панелей увеличивается примерно в 1,6 раза по сравнению с закреплёнными стационарно.
При круглогодичном использовании батарей их выгоднее размещать вертикально. Во-первых, зимой солнце не поднимается высоко над горизонтом и его лучи падают на вертикальную стену под углом, приближенном к прямому. Во-вторых (и это даже важнее), вертикальное расположение позволяет решить проблему очистки панелей от снега. Вообще в странах со снежной зимой не рекомендуется устанавливать батареи под углом наклона к горизонту менее 40°, чтобы на них не скапливался снег. Поэтому на плоской крыше солнечные батареи располагают под наклоном, на соответствующем основании-ферме.
Инвертор для долгой и счастливой жизни
Инвертор выбирают по таким параметрам, как мощность (номинальная, максимальная, пиковая), входное напряжение (12, 24 или 48 В), ёмкость подключаемых АКБ (минимальная, рекомендуемая, максимальная) и некоторым другим. Стоимость устройства во многом определяется его производительностью. Модели российских фирм (например, инвертор МАП SIN) с максимальной мощностью 3-9 кВт можно приобрести в среднем за 40-90 тыс. руб. Китайские изделия при равной мощности обойдутся немного дешевле, а известные европейские бренды стоят значительно дороже. Чем же лучшие модели отличаются от китайских инверторов? Во-первых, используется разная схемотехника. А именно очень дорогой низкочастотный трансформатор в виде тора, мощные сендастовые дроссели и другие качественные (и недешёвые) комплектующие. Такое решение намного дороже, чем, например, обычный трансформатор без дросселей. Но зато оно позволяет получить самый высокий КПД, недостижимый у других инверторов (до 96 %). Кроме того, обеспечивается самое маленькое потребление на холостом ходу. К тому же подобный вариант отличается надёжностью и минимальным излучением помех. Во-вторых, в качественных инверторах предусмотрено множество дополнительных режимов, функций и их регулировок. Пользователь имеет возможность устанавливать все параметры по своему усмотрению. В-третьих, репутация фирмы служит косвенной гарантией того, что инвертор прослужит долго (а если что-то случится, то вы всегда сможете получить необходимую помощь). Не следует экономить на инверторе, ведь недостаточно хорошая техника может привести к сильному сокращению срока службы аккумуляторов (например, всего 2-й года вместо 8-10 лет). Качественный инвертор имеет напряжение на выходе с низким коэффициентом искажений (2-3 %), высокую пиковую мощность (в 2-3 раза больше номинальной), возможность настройки ряда параметров подключения аккумуляторов (выбор типа батарей, алгоритма заряда, порога срабатывания), функцию управления внешними источниками и т. д. Так, высокая пиковая мощность обеспечивает нормальную работу всех компонентов системы при включении двигателей (скажем, скважинного насоса). Низкий коэффициент искажений гарантирует беспроблемную работу чувствительной электроники. А возможность подключения дополнительных устройств, например автоматический запуск резервного генератора, автоматическое «добавление» мощности инвертора к мощности сети или генератора при пиковых нагрузках, позволит повысить автономность системы электроснабжения.
