ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

Аннотация. В статье отражен особенно актуальная на данном этапе развития человечества технология использования альтернативных автономных источников энергии – технология использования энергии солнечных батарей, проведен анализ экономической эффективности и целесообразности применения данной технологии в производстве, отражены ее сильные и слабые стороны на примере проводившихся зарубежных исследований в данной области, сформулирован прогноз касательно использования технологии в обозримом будущем.

Ключевые слова: солнечные батареи, энергоэффективность, энергосбережение, автономные источники энергии.

Как показывает анализ – для большинства источников энергии характерно использование энергии Солнца. Для коэффициента полезного действия действующих солнечных батарей характерны значения нескольких десятков процентов, в то время как для элемента с площадью порядка одного квадратного дециметра получаемая мощность будет немного более 1 Вт.

Солнечные батареи (Рисунок 1) представляют собой наборы соединенных друг с другом и заключенных в раму небольших полупроводниковые устройств, преобразующих энергию света в электрическую. Рациональное использование солнечных батарей в производстве позволяет обеспечить электроэнергией отдельные дома, производственные зоны, торговые площадки, группы зданий или целые поселки. 

Рисунок 1. Структурное изображение солнечной батареи

Использование солнечной энергии для получения электричества имеет ряд преимуществ: не требует топлива (использование энергии солнца требует затрат только на установку, затем потребитель получает уже бесплатную энергию; работает постоянно (солнечная система регулируется автоматически, ее не нужно постоянно включать и выключать как дизель; бесшумность; длительный срок безаварийной службы (солнечные панели рассчитаны на работу в течение 25 лет и за это время происходит всего лишь постепенное небольшое снижение мощности); надежность (солнечная система постоянно и гарантированно вырабатывает электроэнергию каждый день от восхода до заката, однако возможно снижение производительности в пасмурную погоду; общедоступность; возможность произвольного изменения мощности системы.

Рисунок 2. Типовая электрическая схема автономного энергоснабжения на основе солнечных батарей, модулей, панелей

Но несмотря на то, что солнечные панели и являются оптимальным выбором для автономных систем электроснабжения, у них имеется ряд ограничений, таких как: снижение производительности солнечных батарей снижается на полтора-два раза зимой(большое число солнечных дней в зимний период в районах с континентальным климатом частично компенсирует снижение производительности солнечных систем, но потенциал выработки энергии является минимальным); низкая эффективность для использования в отопительных системах; необходимость высокой энергоэффективной. Сравнительно высокая стоимость солнечных панелей делает возможным их использование лишь в том случае, когда расход электроэнергии оптимально оптимизирован, что означает необходимость использования наиболее современной энергосберегающей техники, светодиодного освещения, датчиков движения и прочих приборов, однако с другой стороны использование современных технологий делает жизнь комфортнее; необходимость достаточной интенсивности света.

Качественные солнечные панели легко выдерживают любые погодные условия, даже крупный град. Единственный минус – требуемый уход время от времени очищать поверхность от снега и пыли, что позволит значительно увеличивать производительность. Есть также системы, способные поворачивать солнечную батарею вслед за солнцем в течение дня, таким образом можно увеличить выработку энергии вплоть до 50% от выработки в стационарном положении.

Солнечная батарея конструктивно представляет собой устройство для преобразования солнечной энергии в электрическую. Состоит батарея из следующих функциональных узлов (Рисунок 3): алюминиевой рамки; закаленного стекла с антибликом; ламинированной пленки (передней и задней поверхностей); элементов (ячеек) соединенных проводниками; защитной пленки; соединительной коробки.

Рисунок 3. Типичная схема элементов солнечной батареи: 1, 2 – пластины кристаллического кремния, n-типа и p-типа соответственно

В конструкции предусмотрены диоды для защиты элементов от перегорания в результате перегрева в частично затененных областях. Выход из строя отдельной составляющей может привести к неисправности всей панели.

Ламинирующие пленки предназначены для герметизации конструкции и обеспечения плотного прилегания полупроводниковой пластины к стеклу. Плотное прилегание обеспечивает минимальные потери мощности, которые возникают из-за преломления света. Герметизация также используется для защиты от атмосферных осадков и коррозии. Для того чтобы солнечные лучи достигли поверхности полупроводниковых элементов, им необходимо пересечь границы стекла и ламинирующей пленки. Если стекло во всех моделях солнечных батарей одинаковое, то пленка имеет отличительные характеристики. Характеристики пленки влияют на выходные характеристики панели.

При выборе солнечной батареи проверить качество пленки невозможно, поэтому приходится верить производителю. Перед выбором советуем ознакомиться с репутацией производителей солнечных производителей.

По качеству все полупроводниковые солнечные элементы разделены на 3 типа: Grade A — высокого качества при старении теряется мощность примерно на 5 %; Grade B — среднего качества старении теряется мощность не более 30 %; Grade C — низкого качества старение элементов приводит к потерям мощности более чем на 30 %.

При выборе солнечной батареи важным параметром считается такой параметр, как выходное номинальное напряжение, которое зависит от количества полупроводниковых элементов в схеме. Стандартный модуль рассчитан на напряжение 12 В и состоит из 36 элементов. Их различают по мощности. Для увеличения тока используют параллельное соединение, а для увеличения напряжения последовательное соединение. Напряжение каждого элемента составляет 0,5 В, при присоединении 36 штук выходное напряжение равно примерно 18 вольт. Этого напряжения вполне достаточно как для заряда аккумулятора, так и для присоединения преобразователей с 12 на 220 В. Если брать модуль, в котором содержится 72 элемента, то выходное напряжение будет составлять 24 В.

Если 72 элементная батарея рассчитана на 12 вольт, то скорее всего это конструкция не из цельных полупроводниковых составляющих, а из их частей, соединенных по смешанной схеме. Смешанная схема представляет собой как параллельное, так и последовательное соединение кристаллов солнечных элементов. Приобретать такую конструкцию не рекомендуется по причине низкой надежности из-за большого количества соединений с большей вероятностью появления микротрещин.

Какие модули относят к нестандартным? Модуль, который состоит не из 36 и не 72 элементов. Для того чтобы его соединить с системой, необходим специальный контроллер. Выбирая солнечный модуль, руководствуйтесь значение необходимого напряжения для системы (12, 24, 48 В).

На основании всего вышесказанного можно сделать утверждение о том, что использовать солнечные батареи достаточно выгодно. Эффективность подобного оборудования зависит от нескольких факторов: самый важный активность солнечной энергии и мощность батареи. Наиболее оптимальными рациональными для работы в связке с общей электросетью являются аппараты с мощностью от 0,3 кВт, что может обеспечить экономию энергии от 900 киловатт-часов в год. Для северных регионов нашей страны, в частности с достаточно высоким уровнем инсоляции, использование солнечных электростанций и вспомогательных солнечных панелей, является перспективным направлением в энергетике и строительстве. При возведении солнечных станций нужно учесть большие затраты на оборудование. Окупаемость может составить десятки лет.

Список литературы:

1. Жуков Г. Ф. Общая теория энергии.//М: 1995., с. 11–25.
2. Видяпин В. И., Журавлева Г. П. Физика. Общая теория.//М: 2005, с. 166–174
3. Дагаев М. М. Астрофизика.//М:2007.
4. Тимошкин С. Е. Солнечная энергетика и солнечные батареи. М., 2009.
5.  [Электронный ресурс]. Режим доступа. — URL: http://www.5ka.ru/81/26680/1.html.
6. Олейник Д.Ю. Вопросы современной альтернативной энергетики / Д.Ю. Олейник, К.В. Кайдакова, А.П. Преображенский // Вестник Воронежского института высоких технологий, 2012, № 9, С. 46-48.
7. Мохненко С.Н. Альтернативные источники энергии / С.Н. Мохненко, А.П. Преображенский // В мире научных открытий, 2010, № 6-1, С. 153-156.
8. Львович И.Я. Альтернативные источники энергии / И.Я. Львович, С.Н. Мохненко, А.П. Преображенский // Вестник Воронежского государственного технического университета, 2011, Т. 7, № 2, С. 50-52.