Преимущества солнечных батарей. Преимущества и недостатки солнечных батарей

Солнечная энергетика - активно развивающееся направление в энергоснабжении частных и общественных зданий. Каковы плюсы и минусы такого природного источника энергии, как солнечное излучение?

Преимущества солнечной энергии

1. Возобновляемость

Говоря о солнечной энергии, в первую очередь, необходимо упомянуть, что это - возобновляемый источник энергии, в отличие от ископаемых видов топлива - угля, нефти, газа, которые не восстанавливаются. По данным NASA еще порядка 6.5 млрд. лет жителям Земли не о чем беспокоиться - приблизительно столько Солнце будет согревать нашу планету своими лучами до тех пор, пока не взорвется.

2. Обильность

Потенциал солнечной энергии огромен - поверхность Земли облучается 120 тыс. тераваттами солнечного света, а это в 20 тыс. раз превышает общемировую потребность в ней.

3. Постоянство

Кроме того, солярная энергия неисчерпаема и постоянна - ее нельзя перерасходовать в процессе удовлетворения нужд человечества в энергоносителях, так что ее хватит в избытке и на долю будущих поколений.

4. Доступность

Помимо прочих достоинств солнечной энергии, она доступна в каждой точке мира - не только в экваториальной зоне Земли, но и в северных широтах. Скажем, Германия на данный момент занимает первое место в мире по использованию энергии солнца и обладает максимальным ее потенциалом.

5. Экологическая чистота

В свете последних тенденций в борьбе за экологическую чистоту Земли, солнечная энергетика - это наиболее перспективная отрасль, которая частично заменяет энергию, получаемую от невозобновляемых топливных ресурсов и, тем самым, выступает принципиальным шагом на пути защиты климата от глобального потепления. Производство, транспортировка, монтаж и использование солнечных электростанций практически не сопровождается вредными выбросами в атмосферу. Даже если они и присутствуют в незначительной мере, то по сравнению с традиционными источниками энергии - это почти что нулевое воздействие на окружающую среду.

1) главное достоинство солнечных батарей -- их предельная конструктивная простота и полное отсутствие подвижных деталей.

2) солнечные батареи не нуждаются в каком-либо топливе и способны работать на внутренних ресурсах. Владельцу не нужно волноваться о сохранности прибора и постоянно поддерживать его сохранность. Солнечные батареи практически не боятся механического износа. Да и обслуживание им никакое не нужно.

3) небольшой удельный вес, неприхотливость, максимально простой монтаж и минимальные требования к обслуживанию во время эксплуатации (обычно достаточно лишь протирать грязь с рабочей поверхности).

4) данные устройства способны прослужить не менее двадцати пяти лет.

5) не стоит забывать и об экологическом факторе. Применяемые технологии и материалы полностью соответствуют самым высоким экологическим нормам, солнечные батареи не производят выбросов вредных веществ в окружающую среду и абсолютно безопасны.

6) получения энергии с использованием солнечных батарей позволяет сэкономить немалые финансовые средства.

7) в отличие от традиционных источников, этот тип ресурсов практически неиссякаем. Получение традиционных источников энергии сегодня становится всё более дорогим удовольствием и серьёзно бьёт как по карману простых потребителей, так и по бюджетам многих государств.

Недостатки:

1) невысокий КПД. Солнечные батареи преобразуют энергию избирательно -- для рабочего возбуждения атомов требуются определённые энергии фотонов (частоты излучения), поэтому в одних полосах частот преобразование идёт очень эффективно, а другие частотные диапазоны для них бесполезны. Кроме того, энергия уловленных ими фотонов используется квантово -- её «излишки», превышающие нужный уровень, идут на вредный в данном случае нагрев материала фотопреобразователя. Во многом именно этим и объясняется их невысокий КПД. Кстати, неудачно выбрав материал защитного стекла, можно заметно снизить эффективность работы батареи. Дело усугубляется тем, что обычное стекло довольно хорошо поглощает высокоэнергетическую ультрафиолетовую часть диапазона, а для некоторых типов фотоэлементов весьма актуален именно этот диапазон, -- энергия инфракрасных фотонов для них слишком мала.

2) чувствительность к загрязнениям. Даже довольно тонкий слой пыли на поверхности фотоэлементов или защитного стекла может поглотить существенную долю солнечного света и заметно снизить выработку энергии. В пыльном городе это потребует частой очистки поверхности солнечных батарей, установленных горизонтально или наклонно. Безусловно, такая же процедура необходима и после каждого снегопада, и после пыльной бури.

3) уменьшение эффективности в течение срока службы. Полупроводниковые пластины, из которых обычно состоят солнечные батареи, со временем деградируют и утрачивают свои свойства, в результате и без того не слишком высокий КПД солнечных батарей становится ещё меньше. Длительное воздействие высоких температур ускоряет этот процесс. Тем не менее, современные фотопреобразователи способны сохранять свою эффективность в течение многих лет. Считается, что в среднем за 25 лет КПД солнечной батареи уменьшается на 10%. Так что обычно гораздо важнее вовремя протирать пыль.

4) Солнечные батареи невозможно использовать в большинстве районов нашей страны из-за погодных условий и недостаточного количества солнечных дней.

5) Чувствительность к высокой температуре. С повышением температуры эффективность работы солнечных батарей, как и большинства других полупроводниковых приборов, снижается. При температурах выше 100..150°С они могут временно стать неработоспособными, а ещё больший нагрев может привести к их необратимому повреждению. Поэтому необходимо принимать все меры для снижения нагрева, неизбежного под палящими прямыми солнечными лучами. Дополнительно осложняет ситуацию то, что чувствительная поверхность довольно хрупких фотоэлементов часто закрывается защитным стеклом или прозрачным пластиком. В результате образуется своеобразный «парник», усугубляющий перегрев. Правда, увеличив расстояние между защитным стеклом и поверхностью фотоэлемента и соединив сверху и снизу эту полость с атмосферой, можно организовать конвекционный поток воздуха, естественным образом охлаждающий фотоэлементы. Однако на ярком солнце и при высокой температуре наружного воздуха этого может оказаться недостаточно. Поэтому солнечная батарея даже не очень больших размеров может потребовать специальной системы охлаждения. Справедливости ради надо заметить, что подобные системы обычно легко автоматизируются, а привод вентилятора или помпы потребляет лишь малую долю вырабатываемой энергии. При отсутствии яркого солнца такого большого нагрева нет и охлаждение вообще не требуется, так что энергия, сэкономленная на приводе системы охлаждения, может быть использована для других целей.

Таблица 1.1- Максимальные значения КПД фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях

Приступая к проектированию загородного дома, обустройству дачи, будущий домовладелец неизбежно будет решать вопросы, связанные с энергообеспечением своего хозяйства. Прежде всего необходимо определиться с тем, какая именно электростанция должна быть установлена в доме – автономная, сетевая или гибридная. Каждая из этих энергоустановок имеет свои плюсы и минусы. Солнечные батареи являются неотъемлемой составляющей во всех трех вариантах, поэтому их тип и количество рассматриваются только с точки зрения предполагаемой архитектуры системы электроснабжения и финансовых возможностей.

Автономная домашняя солнечная электростанция

Домашняя солнечная электростанция этого типа устанавливается в домах, расположенных далеко от магистральных электросетей. Такая электростанция должна быть укомплектована необходимым количеством солнечных батарей и соответствующим оборудованием, чтобы полностью обеспечить потребности обитателей дома в электричестве. Как правило, такая электростанция состоит из солнечных панелей, суммарная мощность которых примерно на 30% превышает расчетную мощность нагрузки в доме. Запас мощности необходим на случай, если потребуется подключение незапланированных потребителей.

Схема автономной домашней гелиевой электростанции

Ток, вырабатываемый гелиевыми панелями, через контроллер заряда аккумуляторов поступает на аккумуляторную батарею. Контроллер отслеживает максимальное значение рабочей точки и регулирует процесс заряда/разряда аккумуляторов.

Суммарная емкость аккумуляторов должна быть таковой, чтобы обеспечить функционирование всех электроприборов в доме в течение достаточно продолжительного времени, если погодные условия не позволят гелиевым батареям производить полную зарядку. И, наконец, последнее звено в схеме автономной гелиевой электростанции – инвертор. Этот прибор преобразовывает постоянный ток, снимаемый с аккумуляторов в переменный 220 вольт, 50 герц.

Автономный солнечный инвертор

Достоинства автономной домашней гелиевой электростанции – полная независимость от внешних источников энергии, возможность наращивания мощности, если в этом есть необходимость и позволяют площади для установки дополнительных солнечных батарей. Высокая надежность гелиевых панелей гарантирует их эффективную работу в течение до 25 лет.

Основные недостатки – высокая стоимость оборудования и, как следствие, длительный срок окупаемости. К этому следует добавить, что даже при использовании самых современных моделей гелевых аккумуляторов их все равно придется менять через 10-12 лет работы, что также скажется на окупаемости электростанции.

Сетевая домашняя солнечная электростанция

Сетевая домашняя солнечная электростанция устанавливается в домах, подключенных к стационарной электрической сети. В конфигурации такой электростанции отсутствуют аккумуляторная батарея и, естественно, контроллер заряда аккумуляторов. Гелиевые панели подключены непосредственно к так называемому сетевому инвертору. В светлое время суток, когда гелиевые панели вырабатывают электрический ток, сетевой инвертор преобразовывает получаемый постоянный ток в ток переменный, 220 вольт, 50 герц.

Схема сетевой домашней гелиевой электростанции

Сетевой инвертор также подключен и к магистральной сети. Если мощности, вырабатываемой солнечными батареями, недостаточно для питания всех электроприборов дома, недостающее количество электричества отбирается от сети. Если гелиевые панели вырабатывают избыток энергии, то этот избыток отдается в сеть. В темное время суток питание всех электроприборов дома производится от магистральной сети. По составу оборудования сетевая домашняя гелиевая электростанция намного проще, следовательно, она и стоит намного дешевле. Это ее достоинство.

Сетевой солнечный инвертор

К недостаткам следует отнести прямую зависимость от напряжения в магистральной сети. Если по каким-то причинам в светлое время суток блок-участок сети, к которому подключен дом, будет обесточен, сетевой инвертор мгновенно отключает от себя всю нагрузку. Это сделано для того, чтобы электричество, вырабатываемое солнечными батареями, не подавалось в сеть, где возможно проводятся ремонтные работы.

Еще одним недостатком является то, что нужно очень строго выбирать сетевой инвертор. Дело в том, что есть инверторы, вырабатывающие так называемую модифицированную синусоиду, а есть инверторы, на выходе которых напряжение представляет собой чистую синусоиду. Это необходимое условие, так как некоторые из домашних электроприборов могут работать только с чистой синусоидой. Инверторы, вырабатывающие чистую синусоиду, стоят несколько дороже.

И, наконец, еще один очень важный нюанс. В странах Европы, Австралии, Америки действует так называемый «зеленый тариф». По этому зеленому тарифу владельцы сетевых домашних солнечных электростанций за тот излишек электроэнергии, который отдается в магистральную сеть, получают оплату от оператора данной сети. Механизм взаиморасчетов очень простой. На выходе сетевого инвертора между магистральной сетью и домашней электростанцией устанавливается двунаправленный счетчик. Если дом потребляет энергию от сети, счетчик работает в «плюс». Когда дом отдает энергию в сеть, счетчик работает в обратном направлении, в «минус». По итогам года сводится баланс. Как правило, в выигрыше оказываются владельцы сетевых домашних электростанций. Срок окупаемости такой электростанции значительно сокращается.

В России, к сожалению, «зеленый тариф» еще не работает, хотя законодатели обещают ввести этот вид взаиморасчетов в 2017 году. Когда зеленый тариф начнет действовать в России, то этот условный недостаток сетевых электростанций сразу превратится в достоинство, резко сокращая срок окупаемости.

Гибридная домашняя солнечная электростанция

И, наконец, гибридные домашние солнечные электростанции. Эти электростанции укомплектованы точно так же, как и автономные. Разница заключается в том, что в этих энергоустановках используется гибридный инвертор. Этот прибор при нормальной работе магистральной сети работает, как сетевой инвертор. В случае отключения магистральной сети гибридный инвертор блокирует соединение с нею и подключает нагрузку (домашние электроприборы) к питанию от аккумуляторов. С появлением напряжения в магистральной сети гибридный инвертор выдерживает некоторую паузу (длительность паузы устанавливается при настройке прибора), после чего он выполняет синхронизацию вырабатываемого им переменного тока с током сети.

Схема гибридной домашней гелиевой электростанции

Синхронизация производится как по фазе, так и по амплитуде. Рассогласование по фазе не должно превышать одного градуса. По амплитуде напряжение, вырабатываемое инвертором, должно быть на несколько вольт выше сетевого. После восстановления нормального режима работы магистральной сети гибридный инвертор отключает аккумуляторы, переводит нагрузку на питание от сети, а аккумуляторы в режим заряда.

Гибридный солнечный инвертор

Достоинства гибридной системы – обеспечение электроэнергией домашнего хозяйства в любых условиях, возможность продажи излишков энергии оператору магистральной сети, высокая надежность. Недостатки – высокая стоимость оборудования и аккумуляторов, которые нужно с определенной периодичностью менять, что также влияет на срок окупаемости системы.

Этот краткий обзор плюсов и минусов систем солнечной вольтаики не дает конкретных рекомендаций по выбору той или иной системы, но он может помочь сориентироваться в основных проблемах выбора.