Как работают солнечные батареи зимой в россии

Особенности применения

Свет, который излучает солнце на земле, при помощи пассивных, а также активных систем превращается в тепловую энергию. К пассивным системам относятся здания, при строительстве которых применяют такие стройматериалы, которые наиболее эффективно поглощают энергию солнечной радиации. В свою очередь, к активным системам относятся коллекторы, преобразовывающие солнечную радиацию в энергию, а также фотоэлементы, конвертирующие ее в электричество. Рассмотрим подробнее как правильно использовать возобновляемые источники тепла.

Пассивные системы

К таким системам относят солнечные здания. Это здания, построенные с учетом всех особенностей местной климатической зоны. Для их возведения применяют такие материалы, которые дают возможность максимально использовать всю тепловую энергию для обогрева, охлаждения, освещения жилых и промышленных помещений. К ним относят следующие строительные технологии и материалы: изоляцию, деревянные полы, поглощающие свет поверхности, а также ориентацию здания на юг.

Такие солнечные системы позволяют осуществить максимальное использование солнечной энергии, к тому же они быстро окупают расходы на их возведение за счет снижения энергозатрат. Они являются экологически чистыми, а также позволяют создать энергетическую независимость. Именно из-за этого использование таких технологий очень перспективно.

Активные системы

К этой группе относят коллекторы, аккумуляторы, насосы, трубопроводы для теплоснабжения и горячего водоснабжения в быту. Первые устанавливают непосредственно на крышах домов, а остальные располагают в подвальных помещениях, чтоб использовать их для горячего водоснабжения и теплоснабжения.

Солнечные фотоэлементы

Чтоб более эффективно реализовывать всю солнечную энергию применяют такие источники энергии солнца, как фотоэлементы, или как их еще называют — солнечные элементы. На своей поверхности они имеют полупроводники, которые, при воздействии на них лучей солнца, начинают двигаться, и тем самым вырабатывают электроток. Такой принцип выработки тока не содержит никаких химических реакций, что позволяет фотоэлементам работать достаточно долго.

Такие фотоэлектрические преобразователи как источники энергии солнца легко использовать, так как они имеют небольшой вес, просты в обслуживании, а также являются очень эффективными в использовании солнечной мощности.

На сегодняшний день солнечные батареи, как источник энергии солнца на земле, используют для выработки горячего водоснабжения, отопления и для производства электричества в теплых странах, таких как Турция, Египет и страны Азии. В нашем регионе солнце источник энергии применяют для снабжения электричеством автономных систем электропитания, маломощной электроники и приводов самолетов.

Солнечные коллекторы

Использование солнечной энергии коллекторами заключается в том, что они преобразовывают радиацию в тепло. Их разделяют на следующие основные группы:

  • Плоские солнечные коллекторы. Являются самыми распространенными. Их удобно использовать для бытовых отопительных нужд, а также при подогреве воды для горячего водоснабжения;
  • Вакуумные коллекторы. Их используют для бытовых нужд, когда необходима вода высокой температуры. Они состоят из нескольких стеклянных трубок, проходя через которые лучи солнца нагревают их, а они, в свою очередь, отдают тепло воде;
  • Воздушные солнечные коллекторы. Их используют для воздушного отопления, рекуперации воздушных масс и для осушительных установок;
  • Интегрированные коллекторы. Самые простые модели. Их используют для предварительного подогрева воды, например, для газовых котлов. В быту подогретая вода собирается в специальном баке — накопители и далее используется для различных нужд.

Использование энергии солнца коллекторами осуществляется путем накапливания ее в так называемых модулях. Они устанавливаются на крыше зданий и состоят из стеклянных трубок и пластин, которые, в целях поглощения большего объема солнечного света, окрашивают в черный цвет.

Солнечные коллекторы используют для подогрева воды для горячего водоснабжения и отопления жилых домов.

Разновидности коллекторов

Особой популярностью пользуются два вида батарей: плоские пластинчатые и вакуумные.

Плоский пластинчатый коллектор

Устройство состоит из пластины (абсорбера), которая улавливает излучение, прозрачного покрытия, пропускающего свет, и теплоизоляционного слоя. Лицевая часть пластины покрывается черной краской, потому что тёмный цвет лучше притягивает лучи солнца. Это может быть также специальное покрытие – например, оксид титана или чёрный никель. Самые производительные абсорберы изготавливают медными.

Прозрачное покрытие делают из поликарбоната, гладкого или рифлёного, либо из укреплённого стекла, у которого содержание металла очень низкое.

Теплоизоляция состоит из трубок, изготовленных из меди или сшитого полиэтилена. По ним разносится теплоноситель. Внутри панели создаётся вакуум, чтобы не было потерь тепла. Если не отбирать тепло, то воду накапливателя можно нагреть до температуры 190–210 градусов.

 Вакуумные коллекторы

Трубка этого устройства, по которой течёт теплоноситель, является абсорбером. Она помещается в вакуумный сосуд из прозрачного закалённого стекла.

Такая модель дороже пластинчатого прибора, но она более продуктивна. Здесь можно нагреть воду уже до 250–300 градусов.

Характеристики отдельных ВИЭ

Многие нетрадиционные и возобновляемые источники энергии без затруднений устанавливаются в жилых зданиях. Отдельные его виды можно применять в тяжелой и легкой промышленности, установив в производственных зданиях. В их число входят возобновляемые ресурсы, предоставляемые человеку самой природой.

Наибольшую популярность обрела энергия биомассы, являющаяся одним из видов «зеленой энергии». Она позволяет рационально использовать природные ресурсы планеты. Ресурсами являются отходы деревообрабатывающей и бумажной промышленности, отраслей сельского хозяйства, включая бытовой и строительный мусор, из которого вырабатывается естественным путем метан.

Воздушные массы атмосферы есть своего рода вечный неиссякаемый источник, потому что обладают огромной кинетической энергией. Они перемещаются под воздействием геологической деятельности ветра. Его сила преобразуется в электрическую энергию с помощью ветровых установок. Несмотря на довольно высокую стоимость, они успешно используются в районах со спокойным ландшафтом.

Еще один вечный источник энергии – Солнце. Солнечная энергетика является одним из направлений НВИЭ, основанной на непосредственном применении солнечного излучения для получения энергии. Она является бесплатным источником, который возобновляется. Помимо того, ее относят к категории «чистая энергетика», не производящей вредных отходов. Но солнечные установки применимы только в тех широтах планеты, где достаточно солнечного света для выработки электрической энергии.

Водный поток есть неиссякаемый источник, обладающий потенциальной и кинетической энергией. Она в ходе работы преобразуется в электрический ток. Ярким примером использования гидравлической энергии рек, воды является строительство малых и микро ГЭС, а также крупных ГЭС с большими мощностями.

Малые и микро ГЭС обрели популярность во многих странах, использующих энергию возобновляемых источников малых водотоков с целью выработки электрического тока. Нужно заметить, что в последние годы строительство крупных гидроэлектростанций сократилось до минимума.

«Зеленая энергетика» представлена энергией приливов и отливов океанов, морских волн и течений. Для их использования на берегу морей и океанов строятся приливные станции. Они преобразуют кинетическую энергию вращения Земли, возникающую за счет гравитационных сил Луны и Солнца, которые два раза в сутки изменяют уровень воды.

Достоинства и недостатки ВИЭ

Основное преимущество заключается в том, что возобновляемые ресурсы являются дешевым источником энергии. Это неиссякаемый источник энергии, который предоставлен в неограниченном количестве в окружающей среде, не являясь следствием целенаправленной деятельности человека.

Преимущества и недостатки коллектора

Главное преимущество гелиосистемы – экологическая чистота.

  • При выработке тепла в солнечных батареях не образуются никакие вредные вещества. Он абсолютно безвреден как для человека, так и для природы.
  • Очень экономичная установка. Затраты на покупку и монтирование системы возвращаются в течение нескольких лет. В последующие годы батарея работает только в плюс, экономя затраты на обогрев помещения и нагрев воды.
  • Использование системы круглый год. Зимой солнце светит не так ярко, но даже сквозь тучи к нам доходит до 75% солнечного излучения, что даёт возможность использовать гелиосистему в любое время года. Несмотря на то что в зимнее время эффективность работы снижается, установка вырабатывает до 50% необходимой энергии.

Единственным недостатком коллектора является его высокая стоимость. Не каждый может позволить себе такую роскошь.

Советы по выбору контроллера для солнечной батареи

Чтобы не совершить ошибку при покупке, учитывайте такие аспекты:

Мощность солнечных батарей не должна превышать мощности контроллера — это приводит к поломке. Учитывайте, что не каждое устройство располагает функцией ограничения мощности. На деле такой опцией оснащены только модели от продвинутых производителей. К примеру, линейка «Tracer A» от компании EpSolar. Подобный ограничитель указывается в технических характеристиках.
В расчетах учитывайте, что из-за низких температур общий показатель КПД гелиосистемы увеличивается, в то время как показатель номинальной мощности (в техпаспорте) указывается для средней температуры 25°С. Для примера: у кремниевых батарей температурный коэффициент колеблется от 0,3% до 0,5% на градус по Цельсию. Значит, для -25°С мощность увеличится на 20%

Если не брать это во внимание, то высок риск купить неподходящий контроллер.
Никогда не устанавливайте контроллер с меньшим номиналом — он сломается, даже если вы собираетесь использовать его для неполной нагрузки. Ситуации случаются разные, и от капризов погоды не застрахован никто.
Сами производители отмечают, что лучший контроллер для солнечных батарей — тот, который оснащен температурной компенсацией зарядных напряжений

От температуры аккумулятора зависит предельное напряжение зарядки. Иными словами, с наличием встроенного или подключенного температурного датчика вы сможете следить за перегревом устройства. Это позволяет избежать поломок и повысить точность работы аккумулятора.
Для измерения выработки энергии от Солнца учитывайте среднемесячные значения за пять-семь лет — не только последние показатели. Это позволяет увидеть широту колебаний солнечного массива и выбрать не только подходящие модули, но и соответствующий им контроллер.

Основные недостатки солнечных панелей

  1. Низкая эффективность СБ в пасмурную погоду.
  2. Сложность использования в регионах с большим количеством осадков, в частности снега.
  3. Высокая стоимость и, как следствие, длительный период окупаемости батарей.
  4. Необходимость больших площадей для установки панелей.
  5. Солнечные панели генерируют лишь постоянный ток, поэтому для получения переменного тока потребуются дополнительные устройства.
  6. Энергия вырабатывается лишь в течение светового дня и для ее накопления необходимо будет приобрести аккумуляторы.

Теперь вы знаете о тех сложностях, с которыми Вам придется столкнуть, если Вы остановите свой выбор на солнечных батареях. Но поверьте, не все так безнадежно, как может показаться на первый взгляд. Как мы уже писали выше, многие проблемы можно устранить, главное — знать как. Этому и посвящен следующий раздел.

Как избежать возможных трудностей?

Эффективность солнечных батарей, конечно, оставляет желать лучшего, особенно, это заметно в пасмурную погоду, к примеру, в Москве, Санкт-Петербурге и других городах, в которых количество дождливых и облачных дней достаточно большое. Но если тщательно изучить рынок солнечных панелей, а точнее материалы, из которых их производят, мы узнаем, что поликристаллические батареи хорошо поглощают не только прямые солнечные лучи, но и рассеянный свет. А для ультрафиолетового излучения, необходимого для работы солнечных панелей, облака не будут препятствием

Поэтому чтобы получать максимальную эффективность даже в пасмурную погоду, стоит обратить внимание именно на кремниевые поликристаллические батареи. Это, конечно, полностью не решит проблему, но в какой-то степени сможет снизить ее негативное влияние

Следующий вопрос – это обилие снега. Хотя этот недостаток сложно считать минусом, ведь с одной стороны у него есть и положительная сторона. В снежную погоду количество отраженного света увеличивается, следовательно, увеличивается и эффективность батарей при условии, что у Вас установлены фотоэлементы из поликристаллического кремния. Отрицательная же сторона – это необходимость очищать батареи от снега. Помочь в этом вопросе сможет правильная установка панелей.

Самый главный недостаток – высокая стоимость. В этом потребителям солнечной энергии помогут лишь ученые, а точнее их разработки. Использование более совершенных материалов вкупе с уменьшением их стоимости сможет устранить этот минус. Но нам всем придется подождать. Будем надеяться, что в ближайшем будущем решить эту проблему все-таки удастся. В противном случае, эффективность СБ будет заметна лишь для загородных домов и в регионах, где центральное электроснабжение отсутствует.

Для достаточного количества вырабатываемой энергии потребуются панели большой площади, что может быть препятствием при ограниченном пространстве. Тут следует помнить, что сравнивая тонкопленочные и кремниевые панели, лучше остановить свой выбор на последних. Ведь тонкопленочные требуют гораздо больших площадей в сравнении с панелями из кремния.

Мы рассмотрели основные минусы СБ, и вкратце раскрыли их плюсы. Но все в этой жизни меняется, и вполне возможно, что завтра количество недостатков солнечных батарей уменьшится. В любом случае, выбирать Вам – использовать или нет.

Статью подготовила Абдуллина Регина

Как работает СБ в пасмурную погоду узнаем из видео:

https://youtube.com/watch?v=-2NoqaJVqr8

Как человек использует солнечную энергию?

Можно выделить две группы систем, которые используются человеком для преобразования энергии солнца в тепловую и электрическую. Это пассивные и активные системы.

Благодаря своей конструкции, пассивные системы достигают максимально выгодного использования световой энергии. В результате, за счёт снижения расходов на коммунальные расходы такие дома себя быстро окупают. Эти строения независимы в энергетическом плане и не загрязняют окружающую среду.

Тепловые коллекторы

Эти устройства используют излучение солнца для преобразования его в тепло. Можно выделить следующие основные виды коллекторов:

  • Вакуумные. Сфера их использования, как и у плоских. Но они используются, когда требуется горячая вода более высокой температуры. В них трубки теплообменника находятся в вакууме внутри стеклянных трубок. Внутри циркулирует теплоноситель. Как правило, такие установки делаются на производстве, а не в домашних условиях. Они функционируют круглый год, даже в российском климате;
  • Воздушные. Сфера использование таких устройств – это воздушное отопление и осушительные установки. Могут использоваться при температуре на улице не ниже 5─10 градусов Цельсия;
  • Интегрированные коллекторы. Наиболее простая конструкция. Это специальные баки с теплоизоляцией, где нагревается вода. В дальнейшем она используется на хозяйственные нужды.

В большинстве случаев все эти установки устанавливаются на крышах или фасадах зданий. Иногда для них выделяется площадка, где присутствует максимальное солнечное освещение.
 

Солнечные электростанции

В тех регионах мира, где высокая солнечная инсоляция, делают не просто одиночные гелиостанции, а настоящие электростанции промышленного масштаба. Они вырабатывают электричество, объёма которого хватает для обеспечения энергией небольших населённых пунктов. Многие южные страны уже имеют большой процент использования солнечной энергии в своих национальных энергосистемах. Солнечные электростанции вырабатывают электричество или горячую воду. То есть, работают как батареи и коллекторы. К примеру, власти Калифорнии (США) собираются до 2020 года довести долю выработки электричества с гелиоэлектростанций в энергосистеме штата до 30%.

Солнечная электростанция

Электротранспорт на солнечных батареях

В них гелиопанели устанавливаются на поверхность кузова и заряжают аккумуляторы. Те, в свою очередь, обеспечивают питание электромотора. Использование батарей в серийных моделях ограничивается тем, что их используют для питания отдельных узлов автомобиля. Подробнее читайте в статье «Солнечная энергия в автомобилестроении». 
 

Прочие направления

Ниже приводятся ещё некоторые примеры того, как человек использует солнечную энергию. Все перечисленные предметы существуют в исполнении, работающем от гелиобатарей:

  • Термометр;
  • Детские игрушки;
  • Фонтан;
  • Power bank на солнечных батареях для зарядки различных гаджетов;
  • Всевозможные светильники;
  • Походные солнечные батареи;
  • Радиоприёмник;
  • Двигатель;
  • Есть даже самолёт на солнечных батареях.

Так, что перспективы использования солнечной энергии есть, и отрасль продолжает развиваться.

Какой коллектор лучше для отопления

Для южных регионов с мягкой зимой и большим количеством солнечных дней в году лучший вариант — плоский коллектор. При таком климате он показывает высшую продуктивность.

Для регионов с более суровым климатом подходят трубчатые коллекторы. Причем для суровых зим больше подходят именно системы с Heat-pipe: они греют даже ночью и даже в пасмурную погоду, собирая большую часть спектра солнечного излучения. Они не боятся низких температур, но точный диапазон температур нужно уточнять: он зависит от вещества, находящегося в тепловом канале.

Эти системы при грамотном расчете могут быть основными, но чаще они просто экономят затраты на отопление от другого, платного источника энергии.

Для России больше подходят трубчатые гелиосистемы

Еще одним вспомогательным отоплением может быть воздушный коллектор. Его можно сделать во всю стену, причем он легко реализуется своими руками. Он отлично подойдет для отопления гаража или дачи. Причем проблемы с недостаточным нагревом могут возникнуть не зимой, как вы ожидаете, а осенью. При морозе и снеге энергии солнца в разы больше, чем в пасмурную дождливую погоду.

Особенности работы солнечных батарей

Распространенный миф, в который верят многие владельцы панелей — для преобразования солнечного света в электроэнергию требуется высокая температура, которая есть только в летнее время. На самом деле принцип работы батареи заключается в захватывании света без зависимости от температуры воздуха. При слишком высокой температуре панели перегреваются и выходят из строя. Поэтому яркое Солнце в морозный день — идеальные условия для работы батарей.

Однако зимой солнечный день короче, а значит на поверхность панелей попадает меньше света. К тому в зимнее время года Солнце находится низко относительно горизонта: свет тяжелее преодолевает сопротивление атмосферы, лучи не попадают на панели перпендикулярно.

Однозначно сказать, насколько упадет производительность конструкции, нельзя. Все зависит от региона и климатических условий. Например, на Дальнем Востоке выработка электроэнергии снизится лишь в 1,5 раза, а в Центральной России — более чем в 8 раз. Чтобы поддержать работу батареи, можно отрегулировать угол наклона панели.

Во время дождя и облачности панель также поглощает меньше света. Однако нивелировать разницу могут те же кремниевые батареи. Они могут поглощать рассеянный свет, который проходит сквозь облака. Эффективность поликристаллических кремниевых конструкций обусловлена хаотичным, нестандартным расположением отдельных модулей.

Чтобы производительность солнечной батареи зимой и в пасмурную погоду падала меньше, рекомендуется использовать аккумулятор. Он накапливает и сохраняет всю энергию, выработанную в течение последних часов или дней. Однако именно зимой велик риск короткого замыкания или выхода батареи из строя из-за слишком яркого света. Поэтому для использования накопленной энергии необходим контроллер:

  • PWM — с широтно-импульсной модуляцией;

  • MPPT, способный следить за точкой максимальной мощности. Такой контроллер следит за повышением тока и не допускает снижения мощности панели. В результате даже зимой на протяжении всего времени поддерживается оптимальная нагрузка.

Из чего состоит солнечная батарея

   Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток. Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит к выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи. Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а э.д.с. — последовательно включенных солнечных элементов. Так комбинируя типы соединения собирают батарею с требуемыми параметрами.

   Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает. Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи. При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов, они шунтируются и ток через них не идет. Диоды должны быть низкоомными, чтобы уменьшить на них падение напряжения. Для этих целей в последнее время используют диоды Шоттки.

   Принцип работы солнечных батарей

   Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора. Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока. Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.

   При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда. Это процесс контролируется специальным контроллером. При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда. При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.

   Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов – гелевых (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовые батарей, которые сделаны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей – 10 — 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается!

   Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность. Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечной батарей можно использовать специальные устройства – инверторы. Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.

Ссылка на основную публикацию