[07.10.2014]

Эксперты полагают, что уже в предстоящее десятилетие солнечная энергетика станет коммерчески рентабельной, а затем превзойдет по объемам производимой энергии традиционную энергетику.

Сегодня мы более детально разберемся из чего строятся фотоэлектрические системы и уделим внимание каждому ее компоненту.

Основные компоненты фотоэлектрических систем:

 

Основные компоненты фотоэлектрических систем

А – Солнечная батарея

В – Контроллер солнечного заряда

С – Аккумуляторная батарея

D – Инвертор напряжения

E – Соединительная коробка

FПотребитель (230В)

Солнечные батареи

Солнечная батарея или фотоэлемент из которого собирается фотоэлектрический массив – это устройство для прямого преобразования световой или солнечной энергии в электроэнергию, включенные параллельно-последовательно. При этом генерируется постоянный ток. Пространственная ориентация и наклон панелей также, как и падающие на них тени от окружающих предметов, являются важными параметрами дизайна системы.  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 или массивы, а те, в свою очередь, друг с другом, можно строить крупные фотоэлектрические станции. КПД фотоэлектрических установок в настоящее время составляет около 8-17%, однако отдельные фотоэлементы могут достигать эффективности 20% и более.

 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.

 

Солнечные элементы из монокристаллического кремния Солнечные элементы из монокристаллического кремния имеют наибольшее КПД преобразования солнечной энергии: 14-17%. Срок их службы около 20 лет. Технология изготовления сверхчистого кремния «солнечного» качества, являющегося базовым материалом для монокристаллических фотоэлементов, хорошо освоена и отработана. Монокристалл кремния вырастает из семени, медленно вытягивающегося из кремниевого расплава. Полученные в результате стержни нарезаются на диски толщиной 0,2-0,4 мм. Затем диски подвергаются ряду производственных операций, которые превращают их в монокристаллические фотоэлементы. Основным недостатком монокристаллических фотоэлементов является их высокая стоимость, 50- 70% которой составляет цена самого кремния. Снижение мощности при затенении или сильной облачности - это еще один существенный минус этих фотоэлементов.

 

 

 

Солнечные элементы из поликристаллического кремния Солнечные элементы из поликристаллического кремния обладают меньшей эффективностью в сравнении с монокристаллическими (КПД составляет 10-12 %) и имеют меньший ресурс – до 10 лет, но их стоимость меньше за счет меньшего расхода энергии при изготовлении. К тому же, мощность поликристаллических фотоэлементов зависит от затенения в меньшей степени, чем монокристаллических. Образование поликристаллического кремния происходит при медленном охлаждении кремниевого расплава. Меньшая эффективность объясняется наличием внутри кристалла поликристаллического кремния областей, отделенных своеобразными зернистыми границами, которые препятствуют более высокой производительности элементов.


 

 

Солнечные элементы из аморфного кремния Солнечные элементы из аморфного кремния еще менее эффективны, чем из кристаллического кремния - КПД их порядка 8%. Правда они менее долговечны. Низкое энергопотребление, простота производства и невысокая его стоимость, возможность производства больших по размерам элементов делает модули из аморфного кремния востребованными в самых широких сферах человеческой деятельности. Аморфный кремний достаточно широко применяется при производстве часов и калькуляторов, однако его нельзя применять для установок с высокой мощностью вследствие меньшей стабильности. Такие модули эффективны даже в условиях слабой освещенности и облачности и лучше защищены от агрессивного влияния внешних факторов. Фотоэлементы из аморфного кремния намного дешевле фотоэлементов из кристаллического кремния, поскольку слой кремния в них составляет всего 0,5-1,0 мкм. Сфера применения их гораздо шире, чем кристаллических.

 

  

Контроллер солнечного заряда Контроллер солнечного заряда преобразует поступающее от солнечных панелей напряжение в пригодное для заряда и содержания аккумуляторной батареи. Он защищает батарею от чрезмерной зарядки и глубокой разрядки. Если батарея полностью заряжена, регулятор снижает уровень тока, вырабатываемого солнечным модулем до величины, компенсирующей саморазряд. 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.

Так же они оборудованы разнообразными индикаторами-светодиодами, а более продвинутые модели - LCD-дисплеями, которые отмечают состояние работы, режимы и поломки системы. В некоторых моделях отмечается уровень зарядки батареи, хотя его весьма трудно определить с точностью.

 

 

 

Аккумуляторная батарея – это один или множество параллельно-последовательно соединенных аккумуляторных блоков (элементов) для создания одной батареи с необходимым напряжением и емкостью. Основная его функция - накопление электрической энергии во время солнечного максимума для ее дальнейшего использования в ночное время и пасмурные дни.

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).

Аккумуляторная батарея

Наиболее доступные по цене и имеющиеся во всем мире - автомобильные аккумуляторы. Однако они предназначены для передачи большого тока в течение короткого промежутка времени. Они плохо выдерживают продолжительные циклы зарядки-разрядки, типичные для солнечных систем, а так же имеют достаточно высокий саморазряд. Промышленность выпускает разнообразные аккумуляторные батареи для систем резервного питания, в том числе т.н. солнечные аккумуляторы, которые отвечают данным требованиям. Их главная особенность - низкая чувствительность к работе в циклическом режиме и низкий саморазряд. Эффективность автомобильных батарей составляет около 75%, тогда как специализированные аккумуляторы имеют несколько лучшие показатели – 80…85%. Так же со временем теряется часть емкости аккумулятора при каждом цикле заряд-разряд, пока не снижается настолько, что его приходится заменять. Специализированные аккумуляторы для систем резервного питания служат значительно дольше, чем мощные автомобильные, срок службы которых составляет всего 2-3 года против 8-10.

Факторы, влияющие на срок службы аккумулятора:

- Значения зарядных и разрядных токов

- Глубина разряда аккумулятора

- Величина напряжений стадий заряда и внесение температурной компенсации в эти напряжения

- Температура внешней среды.

Зависимость срока службы аккумулятора от глубины разряда

 

Аккумуляторные батареи должны быть одного производителя, одной емкости, с одинаковым сроком изготовления и с одной партии поставки.

 

Инвертор Инвертор превращает постоянный ток низкого напряжения в стандартный переменный (220 В, 50 Гц). Инверторы бывают от 250 Вт до свыше 8000 Вт. Инверторы мощностью 3000 Вт и выше зачастую способны работать до нескольких шт. в параллельном подключении, увеличивая общую выходную мощность в соответствующее количество раз. Так же их можно объединять для построения 3-фазной сети. 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 также может служить "буфером" между домом и коммунальной энергосистемой, позволяя продавать избыток электроэнергии в общую электросеть.

 

 

 

Очень важным фактором экономического анализа является срок эксплуатации фотоэлектрической системы:

  •  Срок службы фотоэлектрических панелей без заметного снижения КПД оценивается в 20-25 лет.
  •  Каркасы и крепления из алюминия и нержавеющей стали (используются в большинстве фотоэлектрических систем) - срок службы не ниже фотоэлектрических модулей. 
  • Аккумулятор. В зависимости от характера цикла заряд/разряд, либо буферный режим работы (разряд не более, чем на 30%), средний срок службы составляет от 4 до 10-12 лет.
  •  Контроллеры заряда аккумуляторов рассчитаны по меньшей мере на 10 - 15 лет безремонтной эксплуатации.
  •  Инверторы обычно служат не менее 10 - 15 лет. Многие производители дают гарантийный срок эксплуатации 5 лет

 

И самое главное: стоимость 1 Вт. мощности системы примерно составляет от $3 до 4, в зависимости от используемых комплектующих – фотоэлектрических модулей, аккумуляторных батарей, инверторов.


Следующая статья »