Устройства для прямого преобразования световой или солнечной энергии в электроэнергию называются фотоэлементами (по-английски Photovoltaics, от греческого photos - свет и названия единицы электродвижущей силы - вольт). Преобразование солнечного света в электричество происходит в фотоэлементах, изготовленных из полупроводникового материала, например, кремния, которые под воздействием солнечного света вырабатывают электрический ток. Соединяя фотоэлементы в модули, а те, в свою очередь, друг с другом, можно строить крупные фотоэлектрические станции. Крупнейшая такая станция на сегодняшний день - это 5-мегаваттная установка Карриса Плейн в американском штате Калифорния. КПД фотоэлектрических установок в настоящее время составляет около 10%, однако отдельные фотоэлементы могут достигать эффективности 20% и более.

ИСТОРИЯ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ

[287x318]История фотоэлементов берет начало в 1839 году, когда французский физик Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. За этим последовали дальнейшие открытия:
В 1883 г. электрик из Нью-Йорка Чарльз Фриттс изготовил фотоэлементы из селена, которые преобразуют свет в видимом спектре в электричество и имеют КПД 1-2%. (светочувствительные элементы для фотоаппаратов до сих пор делают из селена).
В начале 50-х годов ХХ века был изобретен метод Чохральского, который применяется для выращивания кристаллического кремния.
В 1954 г. в лаборатории компании "Bell Telephone" синтезировали силиконовый фотоэлектрический элемент с КПД 4%, в дальнейшем эффективность достигла 11%.
В 1958 г. небольшие (менее 1 ватта) фотоэлектрические батареи питали радиопередатчик американского космического спутника "Авангард". Вообще, космические исследования сыграли важную роль в развитии фотоэлементов.
Во время нефтяного кризиса 1973-74 гг. сразу несколько стран запустили программы по использованию фотоэлементов, что привело к установке и опробованию свыше 3100 фотоэлектрических систем только в Соединенных Штатах. Многие из них до сих пор находятся в эксплуатации.

Рынок фотоэлементов

[347x237]Современное состояние рынка фотоэлементов характеризуется достаточно стабильным ростом, порядка 20% в год, однако объемы производства фотоэлементов остаются довольно низкими. Производство модулей во всем мире в 1998 г. составило около 125 МВт, в то время как цена упала с 50 долларов за 1 ватт в 1976 г. до 5 долларов за 1 ватт в 1999 г. Тем не менее, киловатт-час электричества, выработанного фотоэлектрической системой, все еще дороже традиционной электроэнергии в 3-10 раз (в зависимости от конкретного местонахождения и вида системы). Таким образом, рынок фотоэлементов пока занимает небольшую нишу в мировой экономике. Но он продолжает стабильно расти в тех сегментах рынка, где фотоэлементы конкурентоспособны, например, в автономных, удаленных от электросети системах.

Во многих регионах мира прогресс весьма ощутим. Правительство Японии вкладывает 250 млн долларов в год в увеличение производственной мощности с 40 МВт (1997г.) до 190 МВт (2000г.). Европейские страны проводят собственные программы, стимулом к чему служит потребность в энергетической независимости и экологические соображения. Эти программы в сочетании с экологическими проблемами - такими, как изменение климата - способны значительно ускорить развитие этой отрасли. Компания "Shell Solar" построила в Германии крупнейший завод по производству фотоэлементов с годовым объемом производства в 10 МВт, который намечено довести до 25 МВт. Стоимость постройки завода -- 50 млн немецких марок.

Применение фотоэлементов

Солнечные фотоэлементы являются вполне реальной технически и экономически выгодной альтернативой ископаемому топливу в ряде применений. Солнечный элемент может напрямую превращать солнечное излучение в электричество без применения каких-либо движущихся механизмов. Благодаря этому, срок службы солнечных генераторов довольно продолжителен. Фотоэлектрические системы хорошо зарекомендовали себя с самого начала промышленного применения фотоэлементов. К примеру, фотоэлементы служат основным источником питания для спутников на околоземной орбите с 1960-х годов. В отдаленных районах фотоэлементы обслуживают автономные энергоустановки с 1970-х. В 1980-х годах производители серийных потребительских товаров начали встраивать фотоэлементы во многие устройства: от часов и калькуляторов до музыкальной аппаратуры. В 1990-х предприятия энергоснабжения начали применять фотоэлементы для обеспечения мелких потребностей пользователей.

[255x272] [178x254] [300x200]

Фотоэлектрические установки качают воду, обеспечивают ночное освещение, заряжают аккумуляторы, подают электричество в общую энергосистему и т. д. Они работают в любую погоду. При переменной облачности они достигают 80% своей потенциальной производительности; в туманную погоду - около 50%, и даже при сплошной облачности они вырабатывают до 30% энергии.

[300x138]В наше время можно найти не только фотоэлектрические панели. Разные фирмы предлагают фотоэлементы в виде легких, эластичных и прочных кровельных плит, а также ненесущих стен-перегородок для фасадных работ. Эти новинки делают фотоэлементы экономически более привлекательными при включении их в состав строительных материалов. В отдаленных районах фотоэлектрические установки являются наиболее рентабельным, надежным и долговечным источником энергии. В некоторых регионах фотоэлементы повышают конкурентоспособность систем, подключенных к электросети. Однако главное - что и в отдаленных, и в подсоединенных к электросетям местностях фотоэлектрические системы вырабатывают чистую энергию, получение которой не сопровождается загрязнением окружающей среды, в отличие от привычных электростанций.

[285x425]Насосные установки, работающие на солнечных фотоэлементах, эффективны и экономически выгодны в условиях практически любого применения водных насосов. Энергетические компании США обнаружили, что экономичнее использовать водяные насосы на солнечной батарее, чем обслуживать распределительные электрические линии, ведущие к удаленным насосам. Некоторые коммунальные предприятия предлагают насосные установки на фотоэлементах для выполнения заявок клиентов.

В сельских районах находится и другое применение фотоэлектрическим системам - зарядка и освещение электрических изгородей; обеспечение циркуляции воды, вентиляции, света и кондиционирования воздуха в теплицах и гидропонных сооружениях.

Фотоэлектрические модули снабжали электричеством воздушный шар "Breitling Orbiter 3" во время его беспосадочного полета вокруг земного шара. В течение трех недель в марте 1999 г. все оборудование на борту воздушного шара питалось от 20 модулей, подвешенных под корзиной. Каждый модуль был наклонен так, чтобы давать равномерный ток во время движения и заряжать пять аккумуляторов для навигационных приборов, питать систему спутниковой связи, обеспечивать освещение и нагрев воды. Все модули отлично работали на протяжении всего путешествия.

Фотоэлементы с успехом применяются для электрификации деревень. В наше время два миллиарда людей во всем мире живут без электричества. Большая часть из них - в развивающихся странах, где 75% населения не имеют доступа к электроэнергии. Удаленные деревни часто не подключены к сети. Опыт показывает, что фотоэлементы служат экономически выгодным источником электричества для основных нужд, таких как:

Те, у кого нет доступа к электроэнергии из сети, часто пользуются ископаемыми видами топлива - керосином, дизельным топливом. С его использованием связан ряд проблем:

[438x298]Электрическое освещение при помощи фотоэлементов более эффективно, чем керосиновые лампы, а установка фотоэлектрической системы обычно стоит дешевле, чем продление электросети. Более того, многие развивающиеся страны расположены в регионах с высоким уровнем солнечной радиации, то есть в изобилии располагают бесплатным источником энергии круглый год. Производство "солнечного электричества" просто и надежно, что доказывает опыт эксплуатации десятков тысяч фотоэлектрических систем во всем мире.

В ближайшие десятилетия значительная часть мирового населения познакомится с фотоэлектрическими системами. Благодаря им исчезнет традиционная необходимость сооружения крупных дорогостоящих электростанций и распределительных систем. По мере того, как стоимость фотоэлементов будет снижаться, а технология - совершенствоваться, откроется несколько потенциально огромных рынков фотоэлементов. К примеру, фотоэлементы, встроенные в стройматериалы, будут осуществлять вентиляцию и освещение домов. Потребительские товары - от ручного инструмента до автомобилей - выиграют в качестве от использования компонентов, содержащих фотоэлектрические компоненты. Коммунальные предприятия также смогут находить все новые способы применения фотоэлементов для удовлетворения потребностей населения.

[476x291]

Европейский Союз поставил своей целью удвоить долю возобновляемых источников энергии к 2010 г. Одним из важных компонентов является производство 1 млн фотоэлектрических систем (500000 встроенных в крыши зданий и экспорт 500000 сельских систем) общей установленной мощностью 1 ГВт. Фирма "BP Amoco" (один из мировых лидеров продаж нефтепродуктов) собирается использовать солнечную энергию на 200 своих новых станциях обслуживания в Британии, Австралии, Германии, Австрии, Швейцарии, Нидерландах, Японии, Португалии, Испании, Франции и США. Программа стоимостью 50 млн долларов включает в себя применение 400 солнечных панелей, общей мощностью 3,5 МВт и снижение выбросов углекислого газа на 3500 тонн ежегодно. Благодаря этому проекту "BP Amoco" станет одним из крупнейших в мире потребителей солнечного электричества, а также одним из крупнейших производителей солнечных элементов и модулей. Солнечные панели будут вырабатывать больше электричества, чем нужно для освещения и водяных насосов, поэтому система будет подключена к сети. Днем излишек электроэнергии будет подаваться в сеть, а ночью из нее будет пополняться недостаток энергии. Мировой рынок фотоэлементов к 2010 году должен составить 1000 МВт, а к 2050 г. -- 5 млн МВт, если верить прогнозу президента компании "BP Solar".

[500x338] [385x278]

ТЕХНОЛОГИЯ

[225x74]Солнечные фотоэлектрические системы просты в обращении и не имеют движущихся механизмов, однако сами фотоэлементы содержат сложные полупроводниковые устройства, аналогичные используемым для производства интегральных схем. В основе действия фотоэлементов лежит физический принцип, при котором электрический ток возникает под воздействием света между двумя полупроводниками с различными электрическими свойствами, находящимися в контакте друг с другом. Совокупность таких элементов образует фотоэлектрическую панель, либо модуль. Фотоэлектрические модули, благодаря своим электрическим свойствам, вырабатывают постоянный, а не переменный ток. Он используется во многих простых устройствах, питающихся от батарей. Переменный же ток, напротив, меняет свое направление через регулярные промежутки времени. Именно этот тип электричества поставляют энергопроизводители, он используется для большинства современных приборов и электронных устройств. В простейших системах постоянный ток фотоэлектрических модулей используется напрямую. Там же, где нужен переменный ток, к системе необходимо добавить инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный.

ФОТОЭЛЕМЕНТЫ

Современное производство фотоэлементов практически полностью основано на кремнии. Около 80% всех модулей производится с использованием поли- или монокристаллического кремния, а остальные 20% используют аморфный кремний. Кристаллические фотоэлементы - наиболее распространенные, обычно они имеют синий цвет с отблеском. Аморфные, или некристаллические - гладкие на вид и меняют цвет в зависимости от угла зрения. Монокристаллический кремний имеет наилучшую эффективность (около 14%), но он дороже, чем поликристаллический, эффективность которого в среднем составляет 11%. Аморфный кремний широко применяется в небольших приборах, таких как часы и калькуляторы, но его эффективность и долгосрочная стабильность значительно ниже, поэтому он редко применяется в силовых установках.

В опытной разработке находятся несколько типов альтернативных тонкопленочных фотоэлементов, которые в будущем могут завоевать рынок. Наиболее отлаженными из исследуемых в настоящее время тонкопленочных систем являются фотоэлементы из следующих материалов:

[370x224]Фотоэлемент представляет собой "сэндвич" из кремния - второго по распространенности на Земле вещества. Девяносто девять процентов современных солнечных элементов изготавливают из кремния (Si), а остальные построены на том же принципе, что и кремниевые солнечные элементы. На один слой кремния наносится определенное вещество, благодаря которому образуется избыток электронов. Получается отрицательно заряженный ("N") слой. На другом слое создается недостаток электронов, он становится положительно заряженным ("P"). Собранные вместе с проводниками, эти две поверхности образуют светочувствительный электронно-дырочный переход. Он называется полупроводником, так как, в отличие от электропровода, проводит ток только в одном направлении - от отрицательного к положительному. При воздействии солнца или другого интенсивного источника света возникает постоянный ток напряжением примерно в 0,5 Вольт. Сила тока (ампер) пропорциональна световой энергии (количеству фотонов). В любой фотоэлектрической системе напряжение почти постоянно, а ток пропорционален размеру фотоэлементов и интенсивности света.

Фотоэлементы производятся из сверхчистого кремния, смешанного в точной пропорции с некоторыми другими веществами. Сверхчистая кремниевая подложка, из которой делают фотоэлементы, стоит очень дорого. Количества сверхчистого кремния, необходимого для изготовления одного фотоэлектрического модуля мощностью 50 Вт, было бы достаточно для интегральных схем примерно двух тысяч компьютеров. Кроме того, в фотоэлементах присутствуют алюминий, стекло и пластмасса - недорогие и многократно используемые материалы.

Производство фотоэлементов

[392x245]

СОЛНЕЧНЫЕ МОДУЛИ

[214x300]Солнечный модуль - это батарея взаимосвязанных солнечных элементов, заключенных под стеклянной крышкой. Чем интенсивнее свет, падающий на фотоэлементы и чем больше их площадь, тем больше вырабатывается электричества и тем больше сила тока. Модули классифицируются по пиковой мощности в ваттах (Втп). Ватт - единица измерения мощности. Один пиковый ватт - техническая характеристика, которая указывает на значение мощности установки в определенных условиях, т.е. когда солнечное излучение в 1 кВт/м2 падает на элемент при температуре 25 оC. Такая интенсивность достигается при хороших погодных условиях и Солнце в зените. Чтобы выработать один пиковый ватт, нужен один элемент размером 10 x 10 см. Более крупные модули, площадью 1 м x 40 см, вырабатывают около 40-50 Втп. Однако солнечная освещенность редко достигает величины 1 кВт/м2. Более того, на солнце модуль нагревается значительно выше номинальной температуры. Оба эти фактора снижают производительность модуля. В типичных условиях средняя производительность составляет около 6 Вт·ч в день и 2000 Вт·ч в год на 1 Втп. 5 ватт-час - это количество энергии, потребляемое 50-ваттной лампочкой в течение 6 минут (50 Вт x 0,1 ч = 5 Вт·ч) или портативным радиоприемником в течение часа (5 Вт x 1 ч = 5 Вт·ч).

[540x180]

Хотя качество продукции не всегда одинаково, большинство международных компаний производят достаточно надежные фотоэлектрические модули со сроком эксплуатации до 20 лет. На сегодняшний день производители модулей гарантируют указанную мощность на период до 10 лет. Решающим критерием для сравнения разных типов модулей является цена 1 ватта пиковой мощности. Другими словами, можно получить больше электроэнергии за те же деньги, используя модуль ценой 569 долларов с пиковой мощностью 120 Втп (4,74 доллара за 1 Втп), чем с помощью "дешевого" модуля мощностью 90 Втп , который стоит 489 долларов (5,43 доллара за 1 Втп). Номинальный КПД менее важен при выборе системы.

[491x400]

ПРЕИМУЩЕСТВА

Высокая надежность
Фотоэлементы разрабатывались для использования в космосе, где ремонт слишком дорог, либо вообще невозможен. До сих пор фотоэлементы являются источником питания практически для всех спутников на земной орбите, потому что они работают без поломок и почти не требуют технического обслуживания.

Низкие текущие расходы
Фотоэлементы работают на бесплатном топливе - солнечной энергии. Благодаря отсутствию движущихся частей, они не требуют особого ухода. Рентабельные фотоэлектрические системы являются идеальным источником электроэнергии для станций связи в горах, навигационных бакенов в море и других потребителей, расположенных вдали от линий электропередач.

Экологичность
Поскольку при использовании фотоэлектрических систем не сжигается топливо и не имеется движущихся частей, они являются бесшумными и чистыми. Эта их особенность чрезвычайно полезна там, где единственной альтернативой для получения света и электропитания являются дизель-генераторы и керосиновые лампы.

[250x127]Модульность
Фотоэлектрическую систему можно довести до любого размера. Владелец такой системы может увеличить либо уменьшить ее, если изменится его потребность в электроэнергии. По мере возрастания энергопотребления и финансовых возможностей, домовладелец может каждые несколько лет добавлять модули. Фермеры могут обеспечивать скот питьевой водой при помощи передвижных насосных систем.

Низкие затраты на строительство
Размещают фотоэлектрические системы обычно близко к потребителю, а значит, линии электропередачи не нужно тянуть на дальние расстояния, как в случае подключения к линиям электропередач. Вдобавок, не нужен понижающий трансформатор. Меньше проводов означает низкие затраты и более короткий период установки.

СКОЛЬКО СТОИТ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ, ВЫРАБОТАННАЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ?

На это нет однозначного ответа. Многие малые фотоэлектрические системы, питающие несколько лампочек и телевизор, гораздо дешевле, чем альтернатива - продление линии электропередач, замена и утилизация одноразовых батарей, либо применение дизель-генератора. Стоимость электричества, произведенного на крупных установках, способных обеспечить электропитанием жилой дом, выражается в стоимости одного кВт·ч. Она зависит от первоначальной стоимости системы, условий займа (для выплаты первоначальной стоимости), расходов на эксплуатацию системы, ее ожидаемого срока эксплуатации и от общей эффективности. При типичных процентных ставках на займы и среднем сроке эксплуатации стоимость солнечного электричества в США в 1998 г. составляла от 20 до 50 центов за кВт·ч.

СКОЛЬКО МЕСТА ЗАНИМАЕТ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА?

[355x250]Наиболее распространенные модули (из кристаллического кремния) производят 100-120 ватт на квадратный метр (Вт/м2). Таким образом, модуль площадью один квадратный метр производит достаточно электричества, чтобы питать одну 100-ваттную лампочку. Если же говорить о промышленных масштабах, фотоэлектрическая станция, занимающая квадратный участок земли со стороной около 160 км могла бы обеспечить электричеством все Соединенные Штаты. Лучшим решением, однако, является расположение фотоэлектрических модулей на крышах зданий или встраивание их в фасадные стены. Это более дешевый вариант, так как при этом экономятся строительные материалы.

Простые фотоэлектрические системы

[283x209]При помощи фотоэлектрических систем можно осуществлять накачку воды и вентиляцию. Фотоэлектрические модули вырабатывают наибольшее количество энергии в ясные, солнечные дни. Простые фотоэлектрические системы сразу же используют произведенный постоянный ток для работы насоса или вентилятора. Такие системы обладают преимуществами для решения простых задач. Энергия производится там и тогда, когда она необходима, поэтому прокладка проводов, аккумулирование и системы контроля не требуются. Небольшие - до 500 ватт - системы весят менее 70 кг, так что их легко перевозить и монтировать. Установка занимает всего лишь несколько часов. И хотя насосам и вентиляторам требуется техническое обслуживание, сами фотоэлектрические модули нуждаются лишь в редком осмотре и чистке.

Солнечные насосы

[310x241]Фотоэлектрические насосные установки являются долгожданной альтернативой дизельным генераторам и ручным насосам. Они качают воду именно тогда, когда она особенно нужна - в ясный солнечный день. Солнечные насосы просто устанавливать и эксплуатировать. Небольшой насос может установить один человек за пару часов, причем ни опыт, ни специальное оборудование для этого не нужны.

Использование солнечной энергии фундаментальным образом отличается от традиционных электрических и топливных систем. По этой причине солнечные насосы также отличаются от обычных. Они работают на постоянном токе. Количество энергии зависит от интенсивности излучения Солнца. Поскольку дешевле хранить воду (в баках), чем энергию (в аккумуляторах), солнечные насосы отличаются низкой производительностью, медленно качая воду в течение всего светового дня.

Использование простых эффективных систем - ключевой фактор использования Солнца для подъема воды. Для этой цели применяются специальные маломощные насосы постоянного тока без аккумуляторов и без преобразователей тока. Современные двигатели постоянного тока хорошо работают при переменной мощности и скорости. Они нуждаются в небольшом ремонте (замене изношенных частей) не ранее, чем через 5 лет после их установки. Большинство солнечных насосов, применяемых для малых потребителей (жилые дома, мелкая ирригация, содержание скота) - это поршневые насосы. Они отличаются от более быстрых центробежных насосов (в т.ч. струйных и погружных).

Насосы подразделяются на поршневые, диафрагменные, ротационные и рычажные. Они наилучшим образом приспособлены к работам малого объема, особенно когда нужны переменные рабочие скорости. В системах большего объема применяются центробежные, струйные и турбонасосы. Электронные согласующие устройства позволяют солнечным насосам включаться и работать в условиях низкой освещенности. Это позволяет использовать энергию солнца напрямую, без аккумуляторных батарей. Может применяться устройство слежения за Солнцем, при помощи которого панели остаются нацеленными на Солнце на протяжении всего дня, от восхода до заката, что позволяет продлить пригодный для эксплуатации световой день. В аккумуляторных баках обычно хранится запас воды на 3-10 дней на случай облачной погоды. Солнечные насосы используют малое количество электричества. Чтобы увеличить объем получаемой воды, используется более эффективный насос и более продолжительный световой день, а не больше электроэнергии или увеличенная скорость.

Там, где фотоэлектрические насосы вступили в соревнование с дизельными, их относительно высокая первоначальная стоимость компенсируется экономией топлива и снижением затрат на техобслуживание. Исследования экономической эффективности фотоэлектрических насосных установок подтверждают, что они часто оказываются экономически более выгодными, чем дизельные насосы - в зависимости от конкретных условий.

Фотоэлектрические системы с аккумулятором

Простые решения имеют определенные недостатки. Самый главный из них - это тот, что фотоэлектрический насос или кондиционер воздуха могут работать только в дневное время и при свете Солнца. Для компенсации этого недостатка к системе подсоединяют аккумулятор. Он заряжается от солнечного генератора, запасает энергию и делает ее доступной в любое время. Даже в самых неблагоприятных условиях и в отдаленных пунктах фотоэлектрическая энергия, сохраняемая в аккумуляторах, может питать необходимое оборудование. Благодаря аккумулированию электроэнергии фотоэлектрические системы служат надежным источником электропитания днем и ночью, в любую погоду. Фотоэлектрические системы, оснащенные аккумулятором, во всем мире питают осветительные приборы, сенсоры, звукозаписывающее оборудование, бытовые приборы, телефоны, телевизоры и электроинструменты.

Солнечный модуль вырабатывает постоянный ток, обычно с напряжением 12 В. Есть множество электроприборов - ламп, телевизоров, холодильников, вентиляторов, инструментов и т.д., которые работают от постоянного тока в 12 В. Однако большинство бытовых электроприборов все же потребляют 110 или 220 В переменного тока. Фотоэлектрические системы с аккумулятором можно приспособить для питания оборудования постоянного или переменного тока. Желающие пользоваться обычными приборами переменного тока должны добавить к системе, между аккумулятором и нагрузкой, блок регулирования мощности - так называемый инвертор. Хотя в процессе преобразования постоянного тока в переменный некоторое количество энергии теряется, благодаря инвертору фотоэлектрическая энергия может использоваться наравне с привычным коммунальным энергоснабжением (питать бытовую технику, осветительные приборы или компьютеры).

Система устроена так: фотоэлектрический модуль соединен с аккумулятором, а тот, в свою очередь, с нагрузкой. В дневные часы фотоэлектрические модули заряжают аккумулятор. Энергия по мере необходимости поступает на нагрузку. При помощи простого контроллера заряда аккумулятор заряжается в нужной степени. При этом продлевается срок его жизни, обеспечивается защита от перегрузки и от полной разрядки. Аккумулятор способен расширить сферу применения фотоэлектрической панели, но требует определенного обслуживания. Аккумуляторы фотоэлектрических систем похожи на автомобильные. Как и автомобильные аккумуляторы, они требуют осторожности в обращении и хранении. Нужно периодически проверять уровень жидкости в негерметичных аккумуляторах, к тому же их необходимо защищать от низких температур.

Солнечный генератор с аккумулятором поставляет пользователю электричество тогда, когда оно необходимо. Количество накопленной электроэнергии зависит от мощности фотоэлектрических модулей и от типа аккумулятора. Расширение модуля или добавление аккумуляторов увеличивает стоимость системы, поэтому для определения ее оптимального размера нужно тщательно изучить энергопотребление. Хорошо спроектированная система определяет оптимальный баланс стоимости и удобства при удовлетворении потребности пользователя в электричестве, а также возможность расширения системы.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДОМАШНЕЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С АККУМУЛЯТОРОМ

[300x300]Солнечная система с аккумуляторами может питать много приборов при условии, что их энергопотребление не превышает мощности генератора. Поэтому необходимо правильно определить мощность системы. Первый шаг в этом направлении - составление спецификации, т.е. технического описания системы.

РАСЧЕТ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

[300x149]При проектировании домашней фотоэлектрической системы сначала нужно составить список всех электроприборов в доме, выяснить их потребляемую мощность и внести в список.

В таблице внизу даны для справки данные о средней потребляемой мощности некоторых приборов. Однако необходимо помнить, что это всего лишь приблизительные оценки. Чтобы рассчитать потребляемую мощность (E) системы с инвертором (для приборов переменного тока), нужно внести поправку (умножить среднее потребление на коэффициент C, чтобы получить общую мощность).

Для работы других электроприборов - холодильника, утюга, вентилятора, электроплитки и т.д. - понадобится система большего размера и дороже. Так как эти системы не подчиняются единым стандартам, а зависят от конкретных нужд потребителя, расчет должен выполняться специалистом.

Во-вторых, нужно оценить, сколько времени в течение дня используются те или другие электроприборы. К примеру, лампочка в гостиной горит 10 часов в сутки, а в кладовой - только 10 минут. Запишите эти данные во вторую колонку в следующей таблице. Потом составьте третью колонку, в которую впишите ежедневную потребность в энергии. Чтобы ее определить, нужно умножить мощность прибора на время его работы, например: 27 Вт x 4 часа = 108 Вт·ч. Запишите полученное число в третью колонку - это и есть ваше общее энергопотребление в день.

Далее необходимо определить количество солнечной энергии, на которое можно рассчитывать в данной местности. Обычно эти данные можно получить у местного поставщика солнечных батарей или на гидрометеостанции. Важно учитывать два фактора: среднегодовую солнечную радиацию, а также ее среднемесячные значения при наихудших погодных условиях (см. общие сведения в главе "Солнечная радиация").

С помощью первого значения фотоэлектрическую систему можно отрегулировать в соответствии со среднегодовой солнечной радиацией, то есть в некоторые месяцы будет больше энергии, чем требуется, а в другие - меньше. Если вы руководствуетесь второй цифрой, у вас всегда будет как минимум достаточно энергии для удовлетворения ваших потребностей, кроме разве что чрезвычайно продолжительных периодов плохой погоды.

[259x300]Теперь можно подсчитать номинальную мощность фотоэлектрического модуля. Умножьте значение энергопотребления (Вт·ч в день) на коэффициент 1,7 для поправки на потери энергии в системе, потом разделите на величину солнечной радиации (Вт·ч в день), напр., 280 (Вт·ч/день) x 1,7/ 5 (Вт·ч/день) = 96,2 Вт. К сожалению, выбор номинальной мощности фотоэлектрических модулей ограничен. Используя 50-ваттные модули, можно построить генератор мощностью 50 Вт, 100 Вт, 150 Вт и т.д. Если потребность в энергии составляет 95 Вт, лучше всего ей соответствует система из двух модулей. Если же общая мощность модулей сильно отличается от вашей расчетной величины, придется пользоваться либо недостаточно мощным, либо слишком мощным генератором. В первом случае фотобатарея не сможет удовлетворить общую потребность в энергии. Вам решать, устроит ли вас частичное обеспечение ваших потребностей. Во втором случае у вас будет избыток электроэнергии.

Определение размера батареи зависит от потребности в энергии и от количества фотоэлектрических модулей. В приведенном примере минимальная емкость батареи составит 60 ампер-час (А·ч), а оптимальная - 100 А·ч. Такая батарея сможет сохранять 1200 Вт·ч при 12 В. Этого достаточно для электроснабжения в описанном выше случае, когда дневное потребление энергии составляет 280 Вт·ч.

ПОСТОЯННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

В прошлом почти во всех фотоэлектрических системах использовалось постоянное напряжение 12 В. Широко применялись приборы на 12 В, питавшиеся прямо от батареи. Теперь, с появлением эффективных и надежных инверторов, все чаще в аккумуляторах используется напряжение 24 В. В настоящее время напряжение электрической системы определяется дневным поступлением энергии в течение дня. Системы, производящие и потребляющие менее 2000 Вт·ч в день, лучше всего сочетаются с напряжением в 12 В. Системы, производящие 2000--6000 Вт·ч в день, обычно используют напряжение 24 В. Системы, производящие более 6000 Вт·ч в день, используют 48 В.

Напряжение в сети - это очень важный фактор, который влияет на параметры инвертора, средств управления, зарядного устройства и электропроводки. Однажды купив все эти компоненты, их трудно заменить. Некоторые компоненты системы, например, фотомодули, можно переключить с 12 В на более высокое напряжение, другие - инвертор, проводка и средства контроля - предназначены для определенного напряжения и могут работать только в его рамках.

АККУМУЛЯТОР

[250x169]В аккумуляторе накапливается энергия, выработанная солнечным модулем. В качестве компонента домашней солнечной энергетической установки, аккумулятор выполняет три задачи:
Покрывает пиковую нагрузку, которую не могут покрыть сами фотоэлектрические модули (резервный запас).
Дает энергию в ночное время (кратковременное хранение).
Компенсирует периоды плохой погоды или слишком высокого энергопотребления (среднесрочное хранение).

Наиболее часто используются автомобильные аккумуляторы, доступные по цене и имеющиеся во всем мире. Однако они предназначены для передачи большого тока в течение короткого промежутка времени. Они плохо выдерживают продолжительные циклы зарядки-разрядки, типичные для солнечных систем. Промышленность выпускает т.н. солнечные аккумуляторы, которые отвечают данным требованиям. Их главная особенность - низкая чувствительность к работе в циклическом режиме.

К сожалению, лишь в немногих развивающихся странах производятся такие батареи, а импортные стоят слишком дорого из-за стоимости перевозки и таможенных сборов. В такой ситуации можно использовать мощные аккумуляторы для грузовиков - это более доступный вариант, хотя и менять их придется чаще.

Для большой фотоэлектрической системы емкости одного аккумулятора может оказаться недостаточно. Тогда можно параллельно подключить несколько аккумуляторов, соединив все положительные и все отрицательные полюса между собой. Для подключения нужно использовать толстую медную проволоку, желательно не длиннее 30 см. При зарядке аккумулятор выделяет потенциально взрывоопасные газы. Поэтому нужно остерегаться открытого огня. Однако выделение газов незначительное, особенно если используется регулятор заряда; так что риск не превышает обычного, связанного с использованием аккумулятора в автомашине. И все же аккумуляторы нуждаются в хорошей вентиляции. Поэтому не стоит накрывать их и прятать в ящики.

Емкость аккумулятора указывается в ампер-часах. К примеру, аккумулятор на 100 А·ч и 12 В может сохранять 1200 Вт·ч (12 В x 100 А·ч). Однако емкость зависит от продолжительности процесса зарядки или разрядки. Период подзарядки указывают как индекс емкости C, например, "C100" для 100 часов. Отметим, что производители могут изготавливать аккумуляторы для разных базовых периодов.

При хранении энергии в аккумуляторе определенное ее количество в процессе хранения теряется. Эффективность автомобильных батарей составляет около 75%, тогда как солнечные аккумуляторы имеют несколько лучшие показатели. Часть емкости аккумулятора теряется при каждом цикле заряд-разряд, пока не снижается настолько, что его приходится заменять. Солнечные аккумуляторы служат дольше, чем мощные автомобильные, срок службы которых составляет 2-3 года.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРА АККУМУЛЯТОРА
Важно, чтобы размер батареи позволял хранить энергию как минимум в течение 4 дней. Представим себе систему, которая потребляет 2480 Вт·ч в день. Разделив эту цифру на напряжение 12 вольт, получим дневное потребление 206 А·ч. Значит, 4 дня хранения равняются: 4 дня x 206 А·ч в день, равно 824 А·ч. Если используется свинцовая батарея, к этой цифре нужно прибавить 20%, чтобы аккумулятор никогда не разряжался полностью. Значит, емкость нашего идеального свинцового аккумулятора составляет 989 А·ч. Если же используется кадмиево-никелевая или железоникелевая батарея, дополнительные 20% емкости не требуются, т.к. щелочным аккумуляторам не вредит регулярная полная разрядка.

РЕГУЛЯТОР ЗАРЯДА

[328x200]Аккумулятор прослужит несколько лет только в том случае, если он используется вместе с качественным регулятором заряда, который защищает батарею от чрезмерной зарядки и глубокой разрядки. Если батарея полностью заряжена, регулятор снижает уровень тока, вырабатываемого солнечным модулем до величины, компенсирующей естественные потери заряда. И наоборот, регулятор прерывает поставку энергии на потребляющие приборы, когда аккумулятор разряжается до критического уровня. Таким образом, внезапное прекращение энергоснабжения может быть вызвано не поломкой в системе, а результатом действия этого защитного механизма.

Регуляторы заряда - электронные устройства, которые также могут пострадать в результате неисправностей либо некорректного обращения с системой. Более совершенные модели оборудованы предохранителями для предотвращения повреждения регулятора и других компонентов системы. Среди них - предохранители против короткого замыкания и изменения полярности (когда перепутаны полюса ), блокировочный диод, который препятствует разрядке батареи в ночное время. Многие модели оборудованы светодиодами, которые отмечают состояние работы и поломки системы. В некоторых моделях отмечается даже уровень зарядки батареи, хотя его весьма трудно определить с точностью.

[286x422]

ИНВЕРТОР

Инвертор превращает постоянный ток низкого напряжения в стандартный переменный (120 или 240 В, 50 или 60 Гц). Инверторы бывают от 250 Вт (стоимостью около 300 долларов) до свыше 8000 Вт (около 6 000 долларов). Электричество, вырабатываемое современными синусоидальными инверторами, отличается лучшим качеством, чем то, которое поступает к вам домой из местной энергосистемы. Существуют также "модифицированные" синусоидальные инверторы - они не так дороги, но при этом пригодны для большинства домашних задач. Они могут создавать небольшие помехи, "шум" в электронном оборудовании и телефонах. Инвертор может служить "буфером" между домом и коммунальной энергосистемой, позволяя продавать избыток электроэнергии в общую электросеть.

[272x256]

КАБЕЛИ

Лучший способ избежать ненужных потерь - использование соответствующи