Солнечные батареи для дома

Устройство системы электропитания от солнечных батарей

Преобразовывать энергию солнца в электричество – эта идея длительное время не давала спать ученым. С открытием свойств полупроводников это стало возможным. В солнечных батареях используются кремниевые кристаллы. При попадании на них солнечного света в них образуется направленное движение электронов, которое называется электрическим током. При соединении достаточного количества таких кристаллов получаем вполне приличные по величине токи: одна панель площадью чуть больше метра (1,3-1,4 м2 при достаточном уровне освещенности может выдать до 270 Вт (напряжение 24 В).

Электрические солнечные батареи для дома открывают много возможностей

Так как освещенность меняется в зависимости от погоды, времени суток, напрямую подключать устройства к солнечным батареям не получается. Нужна целая система. Кроме солнечных панелей требуется:

Аккумулятор. На протяжении светового дня под воздействием солнечных лучей солнечные батареи вырабатывают электрический ток для дома, дачи. Он не всегда используется в полном объеме, его излишки накапливаются в аккумуляторе. Накопленная энергия расходуется ненастную погоду.
Контролер. Не обязательная часть, но желательная (при достаточном количестве средств). Отслеживает уровень заряда аккумулятора, не допуская его чрезмерного разряда или превышения уровня максимального заряда. Оба этих состояния губительны для аккумулятора, так что наличие контролера продлевает срок эксплуатации аккумулятора. Также контролер обеспечивает оптимальный режим работы солнечных панелей.
Преобразователь постоянного тока в переменный (инвертор). Не все устройства рассчитаны на постоянный ток. Многие работают от переменного напряжения в 220 вольт. Преобразователь дает возможность получить напряжение 220-230 В.

Солнечные батареи для дома — только часть системы

Установив солнечные батареи для дома или дачи, можно стать совершенно независимым от официального поставщика. Но для этого надо иметь большое количество батарей, некоторое количество аккумуляторов. Комплект, который вырабатывает 1,5 кВт а сутки стоит около 1000$. Этого достаточно для обеспечения потребностей дачи или части электрооборудования в доме. Комплект солнечных батарей для производства 4 кВт в сутки стоит порядка 2200$, на 9 кВт в сутки — 6200$. Так как солнечные батареи для дома — модульная система, можно купить установку, которая будет обеспечивать часть потребностей, постепенно увеличивая ее производительность.

Основы работы солнечной панели

Солнечная панель, по-простому говоря, — группа фотопластин, соединенных между собой. Солнечные лучики, оказываясь на фотоэлементах солнечной панели, генерируют электрическую энергию. И как следствие, вырабатывается постоянный электрический ток. Но для бытовых целей такой ток бесполезен, поэтому в систему включен еще один прибор — инвертор. Его задача преобразовать постоянный ток, вырабатываемый гелиопанелью в переменный, который уже можно применять для бытовых целей.

Но, не все панели одинаковы. Основной показатель солнечной батареи — из какого материала она изготовлена. А их несколько:

поликристалл кремния — самый применяемый проводник, который удачным образом сочетает и доступную цену, и отличные эксплуатационные параметры. Их, кроме всего, можно установить самостоятельно, что называется своими руками. Они легко распознаются по ярко-синему цвету поверхности панели;
монокристалл кремния — гораздо выше по производительности, но и себестоимость изготовления на порядок выше. Для промышленных систем малопригодна из-за своей формы в виде многоугольника. Такая форма не имеет физической возможности плотной компоновки фотоэлементов — неизбежно появляются зазоры. А это сокращает полезную площадь;
аморфный кремний — самый малоэффективный тип кремния, но и самый недорогой. Может пригодиться, если от батареи не ожидают предельно больших мощностей;
теллурид кадмия — наносится на стеклянную плоскость, толщиной 0.6 мм. Такой пленочкой (непрозрачной или частично прозрачной) можно затонировать оконное стекло;
CIGS — также пленочный полупроводник, но по сравнению теллуридом кадмия располагает более высоким КПД.

Материалов для изготовления панелей, как видим, достаточно много. Какой установить? Для этого нужно определиться с вашими финансовыми возможностями и какой эффект от применения такого типа солнечных панелей вы ожидаете. Так дорогие монокристаллы могут выдавать до 125 Вт, а недорогой аморфный кремний — 50 Вт.

Наиболее популярны батареи из монокристаллического и поликристаллического кремния. Монокристаллы обладают КПД на уровне 13 % с большим сроком эксплуатации — порядка 32 лет. Но надо учитывать, что их производительность чрезвычайно зависит от влияния погоды. Ясный и солнечный день дает возможность выжать из таких панелей максимальный КПД, но при пасмурной погоде этот показатель стремительно падает.

Поликристаллы не такие эффективные — КПД на уровне 9 %. С пониженным сроком эксплуатации — около 20 лет. Но погодные условия практически не влияют на их производительность.

Из чего состоит бытовая солнечная станция

Теперь немного познакомимся с тем, без чего получить электроэнергию для дома из гелиопанелей не получится.

Солнечная панель — выдает электричество под влиянием солнечного света. Тут надо понимать, что размеры панели могут быть разные. Но солнечная батарея на балконе категорически обязана вписываться в габариты лоджии:И иметь размеры 540×620×30 мм. Вес одной панели порядка четырех килограмм. Ценник для гелиопанели в 50 Вт начинается от 5000 рублей.Понятно, что балконы по размеру разные. Если принять в расчет указанные габариты, таких панелей можно разместить от 2 до 4-х штук.
Аккумулятор накапливает преобразованную солнечную энергию.
Контроллер — с его помощью постоянный ток от аккумулятора перестраивается в ток, который пойдет по цепи дальше.
Инвертор — нужен для преображения постоянного тока, поступающего с клемм аккумулятора, в переменный, иногда комбинируется с контроллером.

Можно ли сделать своими руками — как это сделать?

Обладая навыками работы с ручным инструментом и основами электротехники можно собрать солнечную батарею своими руками. Единственное условие успешной работы – это наличие фотоэлементов, потому как кустарным способом эту составную и главную часть устройства изготовить невозможно.

Изготовление устройства происходит в несколько этапов:

Изготовление каркаса батареи;
Соединение фотоэлементов в единую схему (пайка элементов с устройством клемм вывода);
Монтаж устройства с герметизацией поверхностей и выходов.

Краска можно изготовить из имеющихся в наличии материалов, это может различный пиломатериал, уголки или профиль из легких металлов или пластика. Размер каркаса определяется из геометрических размеров одного фотоэлемента и их количества.

На дно каркаса ложится уплотнитель (поролон или подобный материал). На лицевой поверхности каркаса, которая может быть изготовлена из любого вида стекла, укладываются посредством герметика фотоэлементы, после чего они соединяются в общую схему и прижимаются уплотнителем. Каркас закрывается, места выводов проводов герметизируются.

Панель готова к работе.

Метод увеличения производительности

Обычно, поэкспериментировав с небольшим количеством солнечных модулей, владельцы частных домов идут дальше и совершенствуют систему различными способами.

Самый простой способ – это увеличение количества задействованных модулей, соответственно, привлечение дополнительных площадей для их размещения и покупка более мощного сопутствующего оборудования

Что делать, если существует дефицит свободной площади? Вот несколько рекомендаций для повышения эффективности солнечной станции (с фотоэлементами или коллекторами):

Изменение ориентации модулей. Перемещение элементов относительно положения солнца. Проще говоря, установка основной части панелей на южной стороне. При длинном световом дне также оптимально задействовать поверхности, выходящие на восток и запад.

Регулировка угла наклона. Производитель обычно указывает, какой угол является наиболее предпочтительным (например, 45º), но порой при монтаже приходится вносить свои коррективы с учетом географической широты.

Правильный выбор места установки. Крыша подходит, потому что чаще всего является наивысшей плоскостью и не затеняется другими объектами (предположим, садовыми деревьями). Но существуют еще более подходящие площади – поворотные устройства слежения за солнцем.

При перпендикулярном расположении элементов к лучам солнца система работает более эффективно, однако на стабильно закрепленной поверхности (например, крыше) это возможно лишь на короткий промежуток времени. Чтобы его увеличить, придумали практичные устройства слежения.

Механизмы слежения – это динамические платформы, которые своей плоскостью поворачиваются вслед за солнцем. Благодаря им производительность генератора увеличивается летом примерно на 35-40%, зимой – на 10-12 %

Большим минусом устройств слежения является их высокая стоимость. В некоторых случаях она не окупается, поэтому нет смысла вкладываться в бесполезные механизмы.

Подсчитано, что 8 панелей – минимальное количество, при котором затраты со временем оправдают себя. Можно задействовать и 3-4 модуля, но при одном условии: если они напрямую, в обход аккумуляторов, подключены к водяному насосу.

Буквально на днях компания Тесла Моторс объявила о создании нового типа крыши – с интегрированными солнечными батареями. Илон Маск заявил, что модифицированная крыша будет дешевле, чем обычная кровля с установленными на нее коллекторами или модулями.

Собственный опыт и впечатления

На нашей даче небольшая система из солнечных батарей успешно проработала несколько лет, пока не появилась возможность подключиться к общей электросети. Конечно же, когда после установки солнечных батарей мы смогли включить нормальный свет, холодильник, насос для воды, антенну и телевизор, это было просто чудо.

Однако за системой необходимо постоянно следить и поддерживать ее в правильном, работоспособном состоянии. Например, контакты на месте соединения проводов от солнечных панелей с контроллером заряда периодически окисляются и перестают качественно проводить заряд. Поэтому их необходимо периодически зачищать и подключать заново. Если этого не делать, то заряд от батарей поступает в аккумуляторы не полностью, мини-электростанция накапливает меньший запас электричества, чем рассчитывалось, и при включении обычной (рассчитанной для нее) нагрузки уже не справляется: скорость разряда становится быстрее скорости заряда. Кроме того, если система бюджетная и не очень мощная, необходимо очень четко понимать, какие электроприборы можно включать одновременно, а какие – нет.

Пока у нас с мужем была возможность часто ездить на дачу и следить за солнечными батареями, все хорошо работало и никаких проблем не возникало. Но когда обязанность поддерживать систему в рабочем состоянии легла на плечи наших пожилых родителей, начались проблемы с ее функционированием, потому что у них не хватало знаний и опыта. В итоге было принято решение воспользоваться появившейся возможностью подключиться к обычной электросети, чтобы не нагружать их лишними заботами.

Основываясь на нашем опыте, я могу сказать, что собрать достаточно бюджетную автономную мини-электростанцию на солнечных батареях вполне реально. И она действительно будет надежно и эффективно работать, обеспечивая основные потребности небольшого дачного домика. Однако для поддержания ее в хорошем состоянии нужно тщательно изучить вопрос и периодически проводить ее диагностику и профилактику.

Это интересно:

Очаровательная дача под Выборгом
Мойка у окна: мнение эксперта
Мех в интерьере: 5 интересных идей

дача, техника

Принцип работы солнечной электростанции в домашних условиях

Солнечная электростанция – это система состоящая из панелей, инвертора, аккумулятора и контроллера. Солнечная панель трансформирует лучистую энергию в электричество (как было сказано выше). Постоянный ток попадает в контроллер, который распределяет ток по потребителям (например, компьютер или освещение). Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный и обеспечивает работу большинства электрических бытовых приборов. В аккумуляторе накапливается энергия, которая можно расходовать в темное время суток.

Видео описание

Наглядный пример расчетов, показывающий, сколько панелей нужно для обеспечения автономного энергоснабжения, смотрите в этом видеоролике:

Как солнечная энергия используется для получения тепла

Гелиосистемы применяются для нагревания воды и отопления жилища. Они могут давать тепло (по желанию владельца) даже тогда, когда отопительный сезон закончится, и обеспечивать дом горячей водой бесплатно. Простейшее устройство представляет собой металлические панели, которые устанавливают на крыше дома. Они аккумулируют энергию и согревают воду, которая циркулирует по скрытым под ними трубам. Функционирование всех гелиосистем основано на этом принципе, несмотря на то, что конструктивно они могут отличаться друг от друга.

Солнечные коллекторы состоят из:

бака-аккумулятора;
насосной станции;
контроллера;
трубопроводы;
фиттингов.

По типу конструкции различают плоские и вакуумные коллекторы. У первых дно покрыто теплоизоляционным материалом, а жидкость циркулирует по стеклянным трубам. Вакуумные коллекторы отличаются большой эффективностью, потому что теплопотери в них сведены к минимуму. Этот тип коллектора обеспечивает не только отопление солнечными батареями частного дома – его удобно использовать для систем горячего водоснабжения и подогрева бассейнов.

Принцип действия солнечного коллектораИсточник 21ek.ru

Этапы монтажа батарей

Для установки панелей выбирается самое освещенное место – чаще всего это крыши и стены зданий. Чтобы устройство функционировало максимально эффективно, панели монтируются под определенным углом к горизонту. Учитывается также уровень затемненности территории: окружающие предметы, которые могут создавать тень (постройки, деревья и т. п.)
Устанавливаются панели при помощи специальных крепежных систем.
Затем модули соединяются с аккумулятором, контроллером и инвертором, и производится наладка всей системы.

Для монтажа системы всегда разрабатывается персональный проект, который учитывает все особенности ситуации: как будет выполняться установка солнечных батарей на крыше дома, цена и сроки. В зависимости от вида и объема работ, все проекты рассчитываются в индивидуальном порядке. Клиент принимает работу и получает на нее гарантию.

Установка солнечных батарей должна производиться профессионалами и с соблюдением мер безопасностиИсточник pinterest.ca

Как итог – перспективы развития солнечных технологий

Если на Земле максимально эффективной работе солнечных батарей мешает воздух, который в известной мере рассеивает излучение Солнца, то в космосе такой проблемы не существует. Учеными ведется разработка проектов гигантских орбитальных спутников с солнечными батареями, которые будут работать 24 часа в сутки. От них энергия будет передаваться на наземные приемные устройства. Но это дело будущего, а для уже существующих батарей усилия направлены на повышение энергоэффективности и уменьшение размеров устройств.

Солнечная энергия для обогрева помещений

Солнечную энергию в основном рассматривают как источник электричества. Тем не менее, ее можно преобразовывать в тепло, для чего на рынке доступный не меньший ассортимент оборудования. Устройства этого класса более известны как солнечные коллекторы и работают как нагревательные элементы для отопительных систем. Если скомбинировать котлы от системы отопления и нагреватели горячей воды с солнечными коллекторами, экономия может достигнуть до 36% по сравнению с затратами на услуги центральных теплосетей.

Если рассматривать ходовой коллектор в плане конструкции, он представляет собой небольшую прямоугольную панель (1×2 метра, толщина — 100 мм). Основное отличие таких коллекторов — тепловой поток. Это количество тепла, передаваемое жидким теплоносителям по контактной поверхности. Также этот показатель известный как коэффициент потери тепла (Вт/м²×°К). То есть, сколько тепла передается через площадь, чтобы повысить температуру жидкости. У современных моделей этот показатель на одну панель достигает до 5 Вт/м²×°К.

Коллекторная система отопления

Наибольшей эффективности и отдачи можно добиться, установив вместо солнечных модулей коллекторы – наружные установки, в которых под действием солнечного излучения происходит нагрев воды. Такая система является более логичной и естественной, так как не потребует нагревания теплоносителя другими устройствами.

Рассмотрим конструкцию и принцип действия приборов двух основных видов: плоских и трубчатых.

Плоский вариант для самостоятельного изготовления

Конструкция плоских установок настолько проста, что опытные мастера-умельцы собирают кустарные аналоги своими руками, часть деталей купив в специализированном магазине, часть соорудив из подручного материала.

Внутри стального или алюминиевого утепленного короба закреплена пластина, адсорбирующая солнечное тепло. Чаще всего она покрыта слоем черного хрома. Сверху теплопоглотитель защищен герметичной прозрачной крышкой.

Нагревание воды происходит в трубках, уложенных змейкой и соединенных с пластиной. Вода или антифриз поступает внутрь короба через впускной патрубок, нагревается в трубках и перемещается на выход – к выпускному патрубку.

Светопропускная способность крышки объясняется использованием прозрачного материала – прочного закаленного стекла или пластика (например, поликарбоната). Чтобы солнечные лучи не отражались, стеклянную или пластиковую поверхность матируют (+)

Существует два вида подключения, однотрубное и двухтрубное, принципиальной разницы в выборе нет. Но существует большая разница в том, каким способом теплоноситель будет подаваться к коллекторам – самотечным или с помощью насоса. Первый вариант признан неэффективным из-за слабой скорости передвижения воды, по принципу нагрева он напоминает емкость для летнего душа.

Функционирование второго варианта происходит благодаря подключению циркуляционного насоса, который подает теплоноситель в принудительном порядке. Источником энергии для работы насосного оборудования может стать энергосистема на солнечных батареях.

Температура теплоносителя при нагреве солнечным коллектором достигает 45-60 ºС, на выходе максимальный показатель – 35-40 ºС. Для повышения эффективности работы отопительной системы наряду с радиаторами используют «теплые полы» (+)

Трубчатые коллекторы – решение для северных регионов

Общий принцип работы напоминает функционирование плоских аналогов, но с одной разницей – теплообменные трубки с теплоносителем находятся внутри стеклянных колб. Сами трубки бывают перьевыми, запаянными с одной стороны и внешним видом напоминающие перья, и коаксиальными (вакуумными), вставленными друг в друга и запаянными с обеих сторон.

Теплообменники также бывают разными:

система преобразования солнечной энергии в тепловую Heat-pipe;
обычная трубка для перемещения теплоносителя U-type.

Второй вид теплообменников признан более эффективным, но недостаточно популярным из-за стоимости ремонта: при выходе из строя одной трубки придется производить замену всей секции.

Трубка Heat-pipe не является частью целого сегмента, поэтому поменять ее можно за 2-3 минуты. Вышедшие из строя коаксиальные элементы ремонтируют, просто сняв заглушку и заменив поврежденный канал.

Схема, объясняющая цикличность нагревательного процесса внутри вакуумных трубок: холодная жидкость под воздействием солнечного тепла нагревается и испаряется, уступая место следующей порции холодного теплоносителя (+)

Проанализировав технические характеристики коллекторов разного типа и обобщив опыт их использования, решили, что для южных областей больше подходят плоские коллекторы, а для северных – трубчатые. Особенно хорошо зарекомендовали себя в условиях сурового климата установки с системой Heat-pipe. Они обладают нагревательной способностью даже в пасмурные дни и ночью, «питаясь» минимальным количеством солнечного света.

Образец стандартной схемы подключения солнечных коллекторов к бойлерному оборудованию: насосная станция обеспечивает циркуляцию воды, контроллер регулирует процесс нагревания

Что говорит закон

Для того чтобы установить особых согласований не нужно. Главное, чтобы соблюден ряд условий:

Ваша конструкция не должна мешать соседям.
Не должна нести потенциальной опасности.

Но есть и исключения. Вам потребуется разрешение, если ваш дом относится к памятникам архитектуры или находится в историческом районе города. Изменить облик фасада возможен после получения специального разрешения из управления архитектуры вашего города. Такое же разрешение необходимо, если вы собираетесь переустроить сам балкон, иными словами говоря, изменить его конструкцию. К примеру, снять ограждение балкона.

Да, для установки солнечных панелей на балконе уже продаются готовые наборы. Но необходимо учесть, что такого набора гарантированно не хватит для электроснабжения всей квартиры. 65-вватная панель зарядит смартфон примерно за 3–4 часа. Если отключат свет, квартиру можно осветить с помощью светодиодных лент, подключенных к гелиопанели.

Можно установить панели внутри квартиры. Но помните, что стеклянное окно за счет отражения лучей солнца заберет примерно половину паспортной мощности системы.

И напоследок. Если все же вы твердо решили установить всю конструкцию на балкон или в квартире, то вам нужно будет приобрести и установить качественный гибридный инвертор (не с Алиэкспресс), а лучше два (на случай поломки).

Класcификация

Что касается технической составляющей, следует сразу знать — это фотоэлектрические системы электроснабжения. Их главная задача — конвертировать вырабатываемую солнцем энергию в электрическую, что обеспечивается за счет закона фотоэффекта. Работа над усовершенствованием солнечных батарей продолжается уже примерно двести лет. На данный момент инженеры уже добились внушительных результатов, поскольку КПД современного фотоэлектрического оборудования достигает почти 46 % (процент конвертированной энергии солнца).

Рынок солнечных панелей стоит называть достаточно развитым, поскольку у потребителя появилась возможность выбрать продукт из большого ассортимента. Однако самый частый и главный вопрос для покупателя — сколько будет стоить это удовольствие? Перед тем, как дать ответ на этот вопрос, следует рассмотреть, чем отличаются ФСЭ между собой. На рынке доступно три группы систем, которые отличаются функциональностью, конструкцией и техническими характеристиками.

В первую группу ФСЭ включены системы, не подключаемые к центральной электросети. Они функционируют в собственном контуре сети, обеспечивая напрямую питание для подключенной техники. Наиболее эффективно такие установки работают в комплекте с аккумуляторами, на случай длительного отсутствия света и, если потребляемая мощность выше, чем вырабатываемая.

Вторая группа состоит из открытых систем. В комплекте таких ФСЭ отсутствуют аккумуляторы, и они подключаются к центральной сети при помощи дополнительного инвертора. Когда потребляемые мощности ниже вырабатываемых, центральная сеть не работает. Если наоборот — солнечная батарея выключается, электричество потребляется из главной сети. Эти системы отличаются высокой надежностью и более низкой стоимостью. Однако, когда от центральной сети не поступает питание, станция также не работает.

Последняя категория — это комбинированные станции. На практике, это ФСЭ с объединенным функциональном из первых двух групп. За счет этого у них есть преимущество — лишнее электричество можно отправить в центральную сеть и получить за нее прибыль. Оборудование такого типа самое дорогое, поскольку в его конструкции предусмотрены сложные инверторы и устройства для зарядки.

Солнечные батареи для дома: схема оборудования, расчет стоимости комплекта