Преимущества солнечных батарей
Солнечная энергия — это перспективное направление, которое постоянно развивается. Они имеют несколько основных достоинств. Удобство использования, долгий срок службы, безопасность и доступность.
Положительные стороны применение данной разновидности аккумуляторных батарей:
- Возобновляемость – этот источник энергии практически не имеет ограничений притом бесплатный. По крайней мере на ближайшие 6.5 миллиардов лет. Нужно подобрать оборудование, установить его и использовать по назначению (в частном доме или коттеджном участке).
- Обильность – Поверхность земли в среднем получает около 120 тысяч терравват энергии что в 20 раз превышает нынешнее энергопотребление. Солнечные батареи для коттеджей или частных домов имеют огромный потенциал для использования.
- Постоянство – солнечная энергия постоянна поэтому человечеству не грозит перерасход в процессе ее использования.
- Доступность – солнечная энергия может вырабатывать на любой территории, при наличии естественного света. При этом чаще всего она применяется для отопления жилища.
- Экологическая чистота – солнечная энергетика является перспективной отраслью, которая в будущем заменит электростанции, работающие на невозобновляемых ресурсах: газ, торф, уголь и нефть. Безопасны для здоровья людей и домашних животных.
- При производстве панелей и монтаже солнечных электростанций в атмосферу не происходят значительные выбросы вредных или токсичных веществ.
- Бесшумность – выработка электроэнергии производится практически бесшумно, и поэтому этот вид электростанций лучше ветровых электростанций. Их работа сопровождается постоянным гулом из-за чего оборудование быстро выходит из строя, а сотрудники должны делать частые перерывы на отдых.
- Экономичность – при использовании солнечных батарей владельцы недвижимости ощущают значительное снижение коммунальных расходов на электроэнергию. Панели имеют долгий срок службы – производитель дает гарантию на панели от 20 до 25 лет. При этом обслуживание всей электростанции сводится к периодической (раз в 5-6 месяцев) очистке поверхностей панелей от грязи и пыли
2018
Создана молекула на основе железа, способная «захватывать» энергию солнечного света
4 декабря 2018 года стало известно, что некоторые фотокатализаторы и солнечные элементы основаны на технологии, которая включает в себя молекулы, содержащие металлы. Их задача в том, чтобы поглощать лучи и использовать их энергию. На декабрь 2018 года металлы в этих конструкциях являются редкими и дорогими — это, например, рутений, осмий и иридий.
|
На декабрь 2018 года наши результаты показывают, что с помощью усовершенствованного молекулярного дизайна можно заменить редкие металлы железом, которые распространены в земной коре и поэтому дешевы. Кеннет Вернмарк, профессор химии из Лундского университета |
Вместе с коллегами он работал над тем, чтобы найти альтернативу для дорогих металлов. Исследователи сосредоточились на железе, которое значительно легче добывать. Ученые создали свои молекулы на основе железа, его потенциал для использования в солнечной энергии был доказан в предыдущих исследованиях.
На декабрь 2018 года в этом исследовании ученые продвинулись еще на один шаг и разработали молекулу на основе железа, способную «захватывать» и использовать энергию солнечного света в течение достаточно длительного времени, чтобы она могла реагировать с другой молекулой.
Исследование опубликовано в журнале Science. По словам исследователей, молекулу можно использовать в следующих видах фотокатализаторов для производства солнечной энергии. Кроме того, результаты открывают другие потенциальные области применения молекул железа, например, в качестве материалов в светодиодах.
Исследователи приблизили эффективность солнечной батареи к обычной
5 октября 2018 года стало известно, что исследователи приблизили эффективность солнечной батареи к обычной. Солнечная энергия считается наиболее устойчивым вариантом замены ископаемого топлива, но технологии преобразования ее в электричество должны быть очень эффективными и дешевыми. Ученые из отдела энергетических материалов Окинавского института науки и технологий считают, что они нашли формулу для изготовления недорогих высокоэффективных солнечных батарей.
Для этого профессор Яобинг Ци, руководитель исследования, выделил три условия, которые приведут технологию к введению на рынок и успешной коммерциализации. По его словам, скорость преобразования солнечного света в электричество должна быть высокой, недорогой, а также долговечной.
На октябрь 2018 года большинство коммерческих фотоэлементов, которые используются в батареях, сделаны из кристаллического кремния. Он имеет относительно низкую эффективность — около 22%. В конечном итоге это приводит к тому, что продукт оказывается для потребителя дорогим, а его единственная мотивация для покупки — это забота о природе. Японские ученые предлагают решить проблему с помощью перовскита.
|
Исследования перовскитных клеток очень перспективны. По данным на 2018 год, всего за девять лет их эффективность выросла с 3,8% до 23,3%. Другим технологиям потребовалось более 30 лет исследований, чтобы достичь такого же уровня. Яобинг Ци, руководитель исследования |
Японский метод обработки минерала же увеличивает его эффективность до кристаллических кремниевых элементов. Чтобы сделать это, исследователи покрыли прозрачные проводящие подложки пленками перовскита, которые очень эффективно поглощают солнечный свет. Также они покрыли субстрат слоем трииодида калия с небольшим количеством ионов хлора и газа метиламина — это позволило им сделать равномерные панели из примерно равного количества фотоэлементов. При разработке метода ученые поняли, что создание перовскитового слоя толщиной 1 мкм значительно увеличивает срок службы фотоэлемента — он не изменился после 800 часов работы.
Почему деградируют солнечные панели
Фактором, который может ускорить скорость деградации, является качество материалов, используемых при изготовлении панелей. Чтобы сохранить низкие цены, некоторые производители используют для рамы алюминий меньшей толщины, что делает конструкцию более тонкой и уязвимой к деградации. Вот почему выбор дешевой солнечной панели может увеличить риск ее плохой работы или выхода из строя деталей системы. В долгосрочной перспективе такая экономия обойдется вам дороже.
Степень деградации солнечной батареи и ее срок службы зависят от типа панели. Например, кристаллические панели имеют большую устойчивость к нормальному износу, чем тонкопленочные, что отражено в их гарантиях и сроках службы. Например, в обычных условиях кристаллические панели могут выдерживать экстремальные температуры и холода в течение более 20 лет. Пленочные панели при таких же условиях прослужат не более 5 лет.
При воздействии экстремальных климатических условий солнечная панель из кристаллического кремния (Si) может сильно деградировать. Например, панель, подверженная сильным снеговым нагрузкам, ветрам и теплу, теряет свою структурную целостность и эффективность. Тогда как скорость деградации панелей, установленных в благоприятном климате, будет существенно ниже
Проблемы при соединении с другими элементами. Обычно солнечные панели не являются хрупкими, практически не подвержены каким-то поломкам
Но при соединении их с другими элементами солнечной установки либо объединении их в массивы следует соблюдать осторожность. Нужно учитывать не только безопасность солнечных панелей, но и всей подключенной системы, правильно соединять ее элементы в соответствии с их техническими параметрами.
Механические повреждения
Хотя производители используют закаленное стекло для дополнительной защиты, постоянные нагрузки могут стать причиной микротрещин в фотоэлементах, из-за чего процесс деградации может ускориться. Также может испортиться антибликовое/антиотражающее покрытие. Эти разрушения вызывает нагрев поверхности панелей, воздействие ультрафиолета и загрязняющих веществ.
Самый распространенный фактор, влияющий на срок службы и скорость деградации панелей – загрязнение. Крошечные частицы пыли и грязи накапливаются постепенно на поверхности солнечной батареи, тем самым снижая количество солнечного света, получаемого фотоэлементами. Исследования показали, что из-за этого солнечная панель может потерять около 1% своей эффективности. Более того, эти панели с большей вероятностью теряют свою мощность из-за загрязнения при установке на плоскую поверхность. Хотя солнечные панели достаточно легко установить на плоских крышах, это приводит к накоплению большего количества пыли на панелях и, соответственно, более быстрой их деградации.
Большую роль в деградации играют погодные катаклизмы. Сильные шквалы, ураганы, бури, снег, крупный град, упавшие ветви деревьев из-за ветра – все эти факторы могут значительно повредить солнечные батареи и ускорить их деградацию. Это нужно учитывать при установке панелей, например, выбирать места в значительном отдалении от деревьев.
Угрозу структурной целостности солнечной панели несут также птицы, которые любят устраивать гнезда под панелями.
Принимая решение о покупке солнечных панелей, обязательно учитывайте степень их деградации, поскольку в итоге этот показатель может повлиять срок окупаемости установки.
Зная основные причины деградации, можно сгладить некоторые моменты и попытаться замедлить ее в тех случаях, в которых это возможно. О том, что для этого нужно сделать, мы поговорим в следующих публикациях.
Скорость деградации солнечных панелей
Деградация солнечной батареи означает, что установка со временем теряет свою выходную мощность. Этот процесс может быть вызван, к примеру, внешними факторами, на которые человек повлиять не может – воздействием ультрафиолета и изменениями погоды. Но есть и другие причины старения, о которых мы поговорим ниже. Нужно понимать, что деградация – совершенно нормальный процесс, и это рано или поздно произойдет. Деградируют абсолютно все солнечные панели. Правда, с разной степенью и скоростью – большинство качественных панелей часто имеют до 90% эффективности производства даже спустя 20-25 лет работы. Степень деградации солнечных батарей обычно учитывается в гарантии качества продукции от их производителей.
В первый год эксплуатации солнечные батареи обычно подвергаются кратковременной деградации в диапазоне от менее 1% до 3%. После этого, согласно ряду исследований, их производительность снижается в среднем на 0,8% до 0,9% ежегодно.
Например, если краткосрочная деградация панели в первый год составит 2%, то на втором году работы такие панели будут работать на 98% от их первоначальной производительности. В дальнейшем, если предположить, что каждый год производительность панелей будет снижаться на 0,8%, спустя в 25 лет своего «полезного срока службы они все равно будут работать достаточно эффективно – этот показатель составит 78,8%.
Таким образом, чтобы определить примерную прогнозируемую мощность солнечных панелей через N-е количество лет, нужно умножить степень деградации на это количество лет (ожидаемой работы панелей) и вычесть получившееся число из 100(%).
Заметим, что качественные солнечные панели деградируют менее интенсивно, скорость их деградации обычно меньше и поэтому снижение эффективности не будет слишком сильно влиять на производительность всей вашей системы. Степень деградации можно примерно оценить еще в момент покупки – обычно бренды, выпускающие солнечные панели, заявляют эти показатели в своей гарантии на эффективность. Не забудьте также оценить и гарантию на продукт (оборудование) – производственные дефекты тоже влияют на срок службы панелей и их выходную мощность. Гарантия производительности вашей солнечной панели, которая составляет у современных панелей 20–25 лет (иногда доходит до 30 лет), даст вам приблизительное представление о том, какое количество электроэнергии будет генерировать ваша солнечная панель, и как оно будет меняться с течением времени.
Учтите, что производители солнечных панелей дают гарантию с «запасом прочности» – то есть в процессе работы панель может работать дольше, чем заявлено в гарантии. Например, если производитель обещает, что через 20–25 лет панель будет работать с эффективностью около 80% от начальной величины, то на практике чаще всего деградация будет ниже и составит 10-12%.
Инвертор
Способы подключения солнечных батарей могут быть разными, но подбор параметров частей системы имеет общие принципы. Рассмотрим, как подобрать инвертор для СЭС разных типов.
Электростанция полностью автономного типа. Такая система не подключена к сети Энергосбыта (внешней магистрали), пользователь получает все электричество только от панелей. Подойдет инвертор off-grid. Эти автономные модели могут быть одно и трехфазными, способны преобразовывать постоянный токи разного вольтажа 12, 24, 48, 96 В и выше. Данные изделия самые дешевые (25–600 долл.), но это не означает их неэффективность — для не особо требовательной сборки указанного типа они подойдут, нет смысла брать более дорогие изделия, так как их потенциал не будет использоваться.
Схема с подключением к центральной сети. СЭС работает как автономно, так и совместно с главной магистралью. Но без аккумуляторов. Тут подойдет инвертор on-grid:
- регулирует забор электричества, но не из АКБ, а из сети Энергосбыта, если модули не выдают достаточного его количества;
- отправляет излишки продуцируемой энергии в центральную сеть, например, для продажи «по зеленым тарифам».
Стоимость изделия on-grid 200–20 000 $. Зависит от мощности конкретной модели, например, для устройства на 3–6 кВт — 2000 $, на 1000 кВт — 15 000 $ и выше. Для дома хватит 5 кВт.
Аккумуляторно-сетевая СЭС — самый распространенный оптимальный тип: вырабатывается энергия для запитывания приборов дома, излишек накапливается в АКБ, которые отдают заряд ночью и/или когда модули не справляются с нагрузкой, а также в центральную сеть для продажи. Если система из-за возросших потребностей не справится с нагрузкой, то предполагается забор энергии из магистрали Энергосбыта. Для таких условий подойдет модель hybrid (с сетевыми функциями). Цена начинается с 500–600 $ и до около 20 000 $.
Иные параметры
Дальше кратко подбор инвертора по иным критериям, которые необходимо учесть перед тем, как подключить солнечную панель.
| Параметр | Описание |
| Мощность | Зависит от номинала по мощности СЭС, связанной со стороной от постоянного тока и максимумом нагрузки — от переменного. Надо взять полное значение по мощности СЭС (допустимая погрешность 90–120%) и мощность всех приборов при их одновременном включении. Первая характеристика указана в ТД панелей, по второй считают не просто кВт, а совокупное пиковое (пусковое) значение, которое может превышать рабочее в 5–7 раз. Из-за перегрузки во время запуска даже на 2–3 сек. инвертор не запустится. |
| По напряжению | Рекомендованное соотношение (вольтаж/мощность СЭС):
|
| КПД | Это малозначимый параметр — все современные изделия имеют 90–95% КПД. Энергопотребление прибора не должно быть большим 5–10% проходящей через него энергии. |
| Вес | 1 кг — 100 Вт. Качественный прибор не может быть легким, так как чем он мощнее, тем больше трансформатор и его медные обмотки. |
| Меандровые, синусоидальные типы сигнала | Меандр (прямоугольная форма) — дешевый, не защитит полностью от скачков напряжения. Плохо влияет на индуктивные нагрузки, например, на компрессор, насосы кондиционеры, стиралки. К нему ставят дополнительные стабилизаторы. Чистая синусоида — дорогое изделие, колебания очень плавные, только такая модель рекомендована без оговорок для частного дома для запитывания перечисленных выше и всех других приборов. Квазисинусоид — тут применен компромисс, грубо говоря, имитация чистой синусоиды, подойдет для таких же целей, как в предыдущем пункте, прибор менее качественный, но дешевле. |
| 1 или 3 фазный | Трехфазный можно поставить и на 1 и на 3-фазную сеть. Однофазный — только на такую же систему. |
Количество инверторов
Теоретически 1 прибора, если он подобран правильно под мощность, другие параметры, хватит для всей СЭС. Но при большом количестве пластин в нескольких линях желательно на каждую ставить свой инвертор. Причина в том, что нестабильность одной ветки (расположенность на чуть ниже освещаемой стороне) негативно влияет на общий инвертор, КПД понизится. А с отдельными такими устройствами этот недостаток нивелируется.
Хороший вариант — модель для нескольких отдельных MPPT входов (2– 4 и больше). Но цена такого оснащения часто неоправданно высокая.
В Японии создана портативная солнечная электростанция мощностью 120 Вт
В японском университете Миэ создана портативная солнечная электростанция, снабженная аккумулятором.
Разработчики ставили перед собой задачу разработать источник автономного питания на случай экстренных ситуаций, тогда как подобные изделия, уже представленные на рынке, предназначены для отдыха на природе. Новинка отличается от них большей мощностью, более емким встроенным аккумулятором, усиленной защитой от внешних воздействий, включая низкую температуру, высокую влажность, ветер, дождь и другие атмосферные явления. Кроме того, солнечные элементы новой батареи практически не деградируют со временем, сохраняя высокую эффективность даже после 10 лет службы.
Выходная мощность электростанции составляет 120 Вт. В солнечный день полная зарядка комплектного аккумулятора емкостью 200 Вт∙ч занимает примерно три часа. Габариты аккумулятора — 140 x 45 x 370 мм, масса — около 2 кг. Электростанция включает складную солнечную батарею из девяти ячеек размерами 50 х 42 см и массой около 3 кг. Предусмотрена возможность индивидуальной замены поврежденной ячейки.
На рынке изделие появится в сентябре и будет стоить около $1900.
Немного истории
Принцип работы ветряного генератора и гидроэлектростанции в какой то мере схожи между собой, и не вызывают никаких затруднений в понимании, а вот преобразование энергии солнца в электроэнергию процесс не такой уж и простой, как может показаться на первый взгляд.
Если заглянуть в историю, то первым зарождением солнечной батареи можно считать 1839 год. Именно в этом году французский ученый физик Александр Эдмон Беккерель, занимающийся в то время изучением солнечного спектра и влиянием его на тела, провел эксперимент и смог визуально доказать наличие фотогальванического эффекта.
Конечно, это было только подобие солнечной батареи в том виде, в котором она известна широкому кругу людей на планете. Но спустя почти полвека, в Америке, ученым Чарльзом Фриттсом было создано подобие самой первой солнечной батареи. И хоть коэффициент полезного действия такой батареи был около одного процента, это событие стало началом работы над освоением нового источника энергии на планете. Источника, который со временем сможет соперничать с ветряными генераторами и гидроэлектростанциями.
Широкое использование солнечных модулей началось с 1946 года, после того как работы по увеличению производительности устройств были запатентованы. А в 1957 году солнечные батареи уже были запущены в космос в составе искусственного спутника земли. Этот полет показал, что работа солнечных батарей может не только снабжать энергией спутники, а является единственным возможным источником питания для бесперебойной работы таких автономных устройств в космосе.
Гибкие солнечные батареи
Очень удобными являются гибкие панели, которые легко сворачиваются в рулон, словно обычная бумага. Хотя стоимость их выше, чем твердотельных аналогов, они на рынке заняли свою нишу. В основном они пользуются спросом у туристов и путешественников, которым в условиях отсутствия электрификации необходимо заряжать мобильные гаджеты. Главным производителем гибких батарей, работающих от солнечной энергии, является компания Sun Charger, которая, к слову, недавно обновила свой модельный ряд моделями 34 Вт и 9Вт.
T_3Fq3YnxMk
Первая модель подходит для питания планшетов, сотовых телефонов, видеокамер, цифровых фотоаппаратов, GPS, гелевых аккумуляторов 6 и 12 вольт, т.е. она может в условиях похода обеспечить потребности нескольких человек.
SunCharger SC-9/14 — батарея в сложенном виде
Она же — в раскрытом виде
Особенности батареи: компактная складывающая конструкция, работающая в диапазоне температур от -50 до +70 градусов, вес которой всего 420 граммов, снабжена антибликовым покрытием, встроенным светодиодом, люверсами для крепления. Выходной разъем круглый (5.5 мм / 2.1 мм.).
Характеристики электрические: рабочее выходное напряжение 13,5 В (стандартное 12В), без нагрузки – 19В; рабочий выходной ток – 0,65 А; габариты в сложенном и развернутом виде — 20.5х15х3 см и 50х41.5х0.4 см; мощность выходная – 8,6 Вт.
Выходной разъём SunCharger SC-9/14
Вторая модель SunCharger SC-34/18 на сегодняшний день является в линейке гибких солнечных батарей самой мощной. Разработана она специально для универсальных накопителей (ноутбуков), имеющих на входе зарядки, как правило, 17-19 вольт. Максимальная мощность – 18В. К накопителям она подключается напрямую, что обеспечивает идеальное согласование. Понятно, что для менее «прожорливых» накопителей она также подходит, в том числе для двенадцати вольтовых свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях.
Солнечная батарея выдает 18 В в точке своей максимальной мощности и напрямую подключается к этим накопителям. Таким образом, она «идеально» с ними согласована.
Естественно, эта батарея подходит и для зарядки менее прожорливых потребителей. Как известно, мощности мало не бывает. А также спокойно заряжает 12 В свинцовые аккумуляторы, в том числе, и автомобильные (через несколько часов зарядки уже можно завести машину). Толщина ее 4 см (т.е. стала чуть больше), но получилась батарея даже немного компактнее, чем обычные батареи на 12 В.
Солнечная гибкая батарея (модель SunCharger SC-34/18)
Достигнуто это за счет более тонкой ткани, используемой в ее производстве и ламинированных фотоэлементов большей площади.
Эта же батарея в раскрытом виде
Помимо особенностей, характерных для предыдущей модели, здесь имеются на выходе помимо круглого разъема, еще «мама» и «папа».
Электрические характеристики: мощность выходная, как понятно из маркировки, 34 Вт; рабочий выходной ток – 1.9 А; габариты 40х18х4 см (в сложенном виде) и 40х18х4 см (в раскрытом). Напряжение на выходе – 18 В и 26 В (без нагрузки). Вес, конечно, намного больше – 1,7 кг.
Подбор аккумуляторов, контроллера заряда и инвертора
После того как была выбрана солнечная батарея, осталось подобрать количество аккумуляторов, контроллер заряда и инвертор. Исходя из мощности солнечных панелей в 200 Вт, контроллер заряда должен быть рассчитан на ток 17 А.
Был выбран контроллер заряда EPsolar LS2024R с рабочим током в 20А, рассчитанный на напряжение 12/24 В. Данный прибор предназначается для защиты от чрезмерного разряда и перезаряда аккумуляторных батарей. Имеется функция автоматического выбора напряжения, функция выбора типа аккумулятора.
Есть защита от: неправильной полярности, КЗ, перегрева, перенапряжений, в том числе при ударе молнии, обрыва цепи в аккумуляторной батарее и разряда аккумуляторной батареи через солнечную батарею в ночное время.
Аккумуляторная батарея была выбрана емкостью на 100 А, типа DELTA GEL 12-100. Данная АКБ гелевого типа с напряжением 12 В. Обладает устойчивостью к глубокому разряду и низким саморазрядом. Основное предназначение – работа в буферном (постоянного подзаряда) или циклическом (разряд-заряд) режиме. Срок службы составляет до 12 лет.
Для преобразования постоянного тока от АКБ в переменный частотой 50 Гц и напряжением 220 В был выбран инвертор СИБКОНТАКТ ИСЗ-12-600 М3. Мощность инвертора составляет 600 Вт. Имеет встроенную защиту от перегрузки, АКБ от полного разряда, тепловую защиту и энергосберегающий режим. Позволяет подключать любое электрооборудование благодаря синусоидальной форме выходного тока.
Типы деградации солнечных панелей
- Деградация, вызванная светом (LID – от англ. Light Induced Degradation) – возникает, когда солнечная панель впервые подвергается воздействию солнечной радиации, в результате ее фотопроводимость уменьшается. Это считается этапом «настройки» панели, также называемым «начальным ухудшением» или краткосрочной деградацией, и происходит в течение первых 1000 часов работы. Эффективность панелей на этом этапе снижается в среднем на 1–3% и после этого стабилизируется. Такой тип деградации присущ преимущественно монокристаллическим панелям.
- Потенциальная деградация (PID – от англ. Potential Induced Degradation) – данный тип деградации не всегда происходит, но если это случится, производительность панели может снизиться вплоть до 30%. Подвержены ей все типы панелей (моно- и поликристаллические, а также тонкопленочные). В некоторых случаях потенциальная деградация может быть обратимой, но этот процесс всегда является достаточно непростой технической проблемой, которая требует немедленного решения. Потенциальная деградация возникает, когда разные компоненты в системе находятся под разными напряжениями. Например, при разности потенциалов между солнечными элементами и рамкой (монтажной конструкцией, алюминиевым или стальным каркасом). Такое отклонение вызывает утечку напряжения и, следовательно, снижает выходную мощность панели. Основная причина такого явления – поляризация, то есть потенциал солнечных батарей по отношению к земле. Предотвратить подобную деградацию и даже восстановить работу узлов, которые подверглись ей, поможет заземление положительного электрода. По сути, потенциальная деградация – это появление токов утечки в полостях между пластинами полупроводника и другими составляющими фотомодуля. Последний при этом теряет способность создавать заявленное «на выходе» напряжение.
- Деградация, связанная со старением. Солнечные модули подвержены влиянию внешних факторов, что неизбежно – это естественный износ солнечных панелей. Такие процессы старения происходят из-за химических реакций в полупроводниках, вызывающих кристаллические затвердения, а также из-за загрязнения фотомодулей, климатических условий, погоды, влияния ультрафиолета. Обычно данный тип деградации необратим, и с экономической точки зрения смысла в его устранении нет.
