Солнечные батареи/коллекторы: своими руками, покупка

Солнечные батареи/коллекторы: своими руками, покупка

493
0

Содержание

  1. Слово к кулибиным
  2. Чего можно ожидать?
  3. Коллекторы
  4. Покупные СК
  5. Самодельные СК
  6. Концентраторы света
  7. Батареи
  8. Покупные СБ
  9. СБ и самоделки
  10. Установка и юстировка
  11. В заключение

Интерес к альтернативной энергетике неуклонно растет. Причин тому множество, и вполне объективных. Самый мощный и стабильный источник экологически чистой энергии – Солнце. Хотя по себестоимости утилизированная солнечная энергия пока уступает производимой в промышленных масштабах, ее преобразователи в тепло или электричество – солнечные панели – приобретают или мастерят своими руками многие. Дом с дающими электричество солнечными батареями и генераторами тепла – солнечными коллекторами – на крыше, в наши дни не редкость и в местах с достаточно суровым климатом, см. рис. Тем более что такое достоинство излучения Солнца, как полная независимость от техногенной среды и природных катаклизмов, заменить пока нечем.

Дом с солнечным тепло- и электроснабжением

Дом с солнечным тепло- и электроснабжением

Картинка для иллюстрации недаром взята «зимняя»: современные модели солнечных коллекторов способны давать в систему отопления теплоноситель с температурой +85 градусов Цельсия в пасмурный день при морозе –20 снаружи. По цене такие гелиоустановки достаточно доступны, но требуют для изготовления развитой производственной базы. Если же стоит задача обеспечить ГВС на даче или в загородном доме в теплое время года, когда автономное отопление выключено, то сделать пригодный для этого солнечный коллектор своими руками вполне возможно. А при наличии навыков домашнего мастера среднего уровня – установку, которая и зимой поможет отопительному котлу сэкономить немалую толику топлива, а хозяевам – деньги на него. Возможны и другие применения самодельных солнечных коллекторов; хотя бы – подогрев воды в бассейне. Цены фирменных образцов этого вида явно несуразны в сравнении с их возможностями, и там нет ничего, чего нельзя было бы сделать самому.

С автономным солнечным энергоснабжением дело сложнее. Скажем прямо: солнечных электростанций общего пользования, по всем параметрам превосходящих традиционные ТЭЦ, ГЭС и АЭС, на сегодняшний день не существует. И, пока генерация электроэнергии от Солнца не будет перенесена в космос и для этого не будет использоваться его спектр полностью, вряд ли возможна. В Евразии крайние северные точки, где срок окупаемости больших гелиоэлектростанций оказывается хоть немного меньше срока их службы – острова Эгейского моря и Туркмения.

Однако индивидуальная покупная солнечная электростанция может оказаться выгодной и в средне-высоких широтах при условии тщательного технико-экономического расчета и выбора подходящей модели; не последнюю роль в этом играет стабильность электроснабжения в данной местности. А понятие «солнечная батарея своими руками» может иметь вполне определенный и положительный для владельца экономический смысл, если соблюдены некоторые необременительные и бесплатные условия ее изготовления и эксплуатации, в следующих случаях:

  • На даче, если батарея выставляется на Солнце (засвечивается) только на время ее посещения, об этом см. далее.
  • Для зарядки мобильных телефонов или электропитания радиоприемников, нетбуков и т.п. вдали от цивилизации.
  • В загородном доме для постоянного жилья – для электропитания маломощных, неприхотливых и не жизненно важных, но действующих долгое время потребителей: ламп освещения, внутренних и наружных, ноутбуков, компьютеров с UPS и т.п. «Накручивают» на счетчике они все-таки немало, но, если рассчитывать только на них, то сложность создания и стоимость постройки солнечной электростанции падают в разы.
  • Надувная лодка с электроприводом от солнечной батареи

    Надувная лодка с электроприводом от солнечной батареи

    Охотникам, рыболовам, туристам, натуралистам, фотографам-пейзажистам и анималистам и прочим, проводящим много времени на природе, как мобильный и достаточно мощный источник энергии. Взгляните, напр., на рис. справа; к этой лодке мы еще вернемся. Запас хода по спокойной воде в пасмурный день – от 30 км; в ясный день летом практически неограничен. Ход настолько малошумен, что позволяет подбираться на дистанцию съемки или выстрела к таким осторожным птицам, как дикие гуси.

Как же приобрести или сделать самому эти полезные устройства, чтобы потом не жалеть о зря выброшенных деньгах? Вот этому и посвящена настоящая статья. С небольшой добавкой о солнечных концентраторах, или гелиоконцентраторах. Эти устройства собирают излучение Солнца в плотный пучок, прежде чем передать его на преобразование. В некоторых случаях добиться требуемых технических показателей установки иным путем невозможно.

В целом материал организован в 5 разделов с подразделами:

  1. Существенные особенности использования солнечной энергии.
  2. Солнечные коллекторы (СК), покупные и самодельные.
  3. Солнечные концентраторы.
  4. Солнечные батареи (СБ), в том же порядке.
  5. Правильная установка и юстировка СК и СБ.
  6. Вывод в заключение.

Слово к кулибиным

На рис. – воздушный, т.е. проще водяного, СК из пивных банок. Не будем хихикать в кулак или возмущаться: «Да я же столько не выпью!» Поглядим технически. Сама идея весьма даже здравая: провалы между рядами банок приближают способность панели поглощать свет к модели АЧТ. Но! Материалы – алюминий, дерево, силиконовый герметик. Их коэффициенты температурного расширения (ТКР) существенно различны. Стыков – более 200. Элементарный подсчет с учетом закона больших чисел показывает, что, если к концу первого сезона эксплуатации панель не потечет сильно, это чудо.

А вот солнечный коллектор из пластиковых бутылок на рис. ниже выглядит не столь изящным, но вполне работоспособен. В сущности, это цепочка линейных светоконцентраторов, см. далее. Емкости собираются в «колбасы», как при постройке теплиц, парников, беседок и т.п. легких построек из бутылок, но нанизываются не на жесткий стержень, а на прозрачный ПВХ шланг. Тыльная сторона «колбас» оклеивается алюминиевой фольгой, хотя бы рукавом для запекания. В данном случае используется тот факт, что вода сама по себе неплохо поглощает ИК. КПД установки невелик, зато стоимость – судите сами. А за Солнце налога пока не берут.

Самодельный солнечный коллектор из пластиковых бутылок

Самодельный солнечный коллектор из пластиковых бутылок

Еще интересная самоделка из бутылок – узбекский «Илдар», см. рис. ниже. Принцип действия тот же; в наших краях весьма желательно нижнюю поверхность бутылок фольгировать. При монтаже на южном скате крыши не требуется рам, подпорок, переборки кровли и усиления ригеля (несущего каркаса) крыши. Стыков много, но стыкуются сходные по ТКР материалы, так что надежность достаточная. Самым крепким будет стык по поз. Б, когда бутылки напяливаются друг на друга. Повторяют «Илдар» мало, а зря. Видимо, смущает то, что ток воды показан обратный термосифонному. Но термосифонный напор гораздо слабее гравитационного из бака, так что «Илдар» вполне работоспособен.

Солнечный коллектор из бутылок

Солнечный коллектор из бутылок «Илдар»

Примечание: в бутылочных СК длину 1 «колбасы» нужно в средних широтах брать около 3 м, а в параллель соединять таких побольше, сколько бутылок есть или сколько место позволяет.

Концентраторы света

Светоконцентратор – система зеркал или линз, собирающая свет с освещенной площади и перенаправляющая его в определенное место. Светоконцентраторы не делают всю гелиоустановку компактнее, как иногда пишут. Плюс, точнее – минус, в том, что коэффициент светопропускания собирающей системы редко достигает 0,8; чаще всего – 0,6-0,7, а для самоделок – порядка 0,5. Солнечный концентратор, или гелиоконцентратор, позволяет решить следующие задачи:

  1. Упростить конструкцию приемника излучения, сделать самую сложную часть гелиосистемы компактнее и уменьшить количество требующих герметизации стыков в ней.
  2. Увеличить освещенность приемника излучения и тем самым усилить светопоглощение.
  3. Повысить температуру теплоносителя, что дает возможность полнее использовать накопленную энергию.
  4. Упростить процедуру ориентации приемника излучения на Солнце; в ряде случаев возможна однократная юстировка по меридиану и углу места.

Пп. 1 и 3 позволяют в промышленных установках добиться большего общего КПД системы. Дома сделать такие установки сложно, т.к. требуется система непрерывной точной ориентации на Солнце. А вот пп. 2 и 4 могут помочь домашнему умельцу.

Примечание: любой гелиоконцентратор собирает только прямые лучи. Если вы рассчитываете на использование своей установки и в пасмурную погоду, светоконцентраторами можно не заниматься.

Основные схемы солнечных концентраторов показаны на рис; там везде 1 – собирающая система, 2 – светоприемник. Бывают еще компактные концентраторы, одним из них займемся ниже. А пока – схемы в) и д) требуют непрерывного отслеживания Солнца; схема в), кроме того – изготовления параболического зеркала. Можно приспособить спутниковую тарелку, но цены на них, надо полагать, знаете. И нужно делать электронику, управляющую прецизионным 2-координатным электромеханическим приводом. Схема с линзой Френеля г) иногда используется для повышения эффективности малогабаритных солнечных батарей, но они при этом гораздо быстрее деградируют, см. далее.

cdc0c38ce4cd369604c14665efc41bea

Мы займемся линейными концентраторами, пп. а) и б), как наиболее пригодными для самодельных гелиоустановок. Схема в виде полуцилиндрического зеркала а) в общем рассмотрена ранее, вместе с бутылками. Можно только добавить, что ориентировать ее (см. далее) можно как по меридиану, так и перпендикулярно ему в зависимости от того, как требуется направить ток воды в трубе-приемнике. Этот концентратор ускоряет нагрев воды, но при ориентации по меридиану значительно сокращает длительность светового дня для приемника, т.к. при углах падения сбоку более примерно 45 градусов от нормали свет вообще не улавливает. Переотражение в нем всегда однократное. Коэффициент светопропускания в системе алюминиевая фольга + ПЭТ 0,35 мм – около 0,7.

Концентратор из зеркал косого падения б) улавливает свет в пределах углов падения от нормали в 60 градусов и более. Может выполняться линейным и точечным. Видимое сокращение светового дня летом в южных краях с ним почти незаметно. Однако утром и вечером КПД установки сильно падает, т.к. свет тогда испытывает до 4-5 переотражений. Для справки: коэффициент отражения оптически полированного алюминия – 0,86; оцинкованной стали – около 0,6.

Все же для желающих сделать такой приводим профиль зеркал, см. рис. Шаг сетки выбирается исходя из реальных размеров установки. Учтите, что юстировка нужна хоть и однократная, но точная: 22 июня или в ближайшие к нему дни в астрономический (не поясной!) полдень крылья сводят/разводят и подгибают так, чтобы каустика (яркая полоса сконцентрированного света) легла точно по трубе-приемнику. Ее диаметр – около 100 мм, материал – тонкий зачерненный металл.

Профиль солнечного концентратора с зеркалами косого падения

Профиль солнечного концентратора с зеркалами косого падения

Больший интерес для самодельщика представит, вероятнее, 1 из видов компактных неориентируемых концентраторов, см. след. рис. Его вообще не нужно наводить на Солнце: установленный горизонтально, он собирает его лучи в пределах углов падения до 75 градусов от нормали, которая в данном случае направлена в зенит. Т.е., берем описанный выше СК из шланга, свитого в спираль, снабжаем этим концентратором, и получаем подогреватель воды для бассейна.

Компактный неориентируемый солнечный концентратор

Компактный неориентируемый солнечный концентратор

Чтобы свести лучи Солнца в точку, пояса концентратора нужны параболического профиля (врезка слева вверху на рис.), но у нас приемник протяженный круглый, поэтому можно обойтись коническими. Какие при этом размеры и соотношения нужно выдержать, ясно из рис. Крайний пояс (обозначен красным) эффективности устройства почти не увеличивает, без него лучше обойтись. Светопропускание – около 0,6, поэтому толк от этого концентратора будет только в ясный летний день. Но бассейн-то как раз тогда и нужен.

Батареи

Теперь займемся солнечными батареями (СБ). Для начала – немного теории, без этого не понять, что и когда в них хорошо и плохо. И как правильно выбрать СБ для покупки или сделать самому.

Принцип работы

В основе СБ лежит элементарный полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), см. рис. справа; если кто-то углядит там «нескладушки» со школьной электростатикой, учтите: заряды получают энергию от постороннего источника – Солнца. Способность полупроводников пропускать электрический ток описывается зонной теорией проводимости, созданной в 30-х годах прошлого века трудами в основном советских физиков. Штука это очень сложная, ее понимание требует знания квантовой механики и ряда других дисциплин. Очень упрощенно (да простит физик-технолог, если прочтет) принцип действия ФЭП выглядит следующим образом:

Устройство фотоэлектрического преобразователя (ФЭП)

Устройство фотоэлектрического преобразователя (ФЭП)

  1. В кристалл кремния высокой чистоты вводятся, каждая в свою область, донорные и акцепторные примеси из металлов, атомы которых способных встраиваться в кристаллическую решетку кремния, не нарушая ее; это т. наз. легирование. n-область (катод) легирована донорами; p-область (анод) – акцепторами.
  2. Доноры создают в своей области избыток электронов; акцепторы в своей – равных им по величине положительных зарядов – дырок, это вполне корректный физический термин. Электроны и дырки от легирующих присадок это т. наз. неосновные носители зарядов. Дырки – не античастицы позитроны, это просто места, где электрона не хватает. Дырки могут блуждать (дрейфовать) в пределах кристалла, т.к. акцепторы все время перехватывают друг у друга электроны.
  3. Электроны с дырками притягиваются друг к другу, стремясь взаимно нейтрализоваться (рекомбинировать).
  4. В кристалле (вот тут-то вовсю и разыгрываются его квантовые свойства) свободно соединиться за конечный промежуток времени они не могут, поэтому в пограничном слое образуются большие объемные заряды соответствующего знака; в целом же пограничный слой электрически нейтрален.
  5. Солнечная энергия как бы выбрасывает электроны из пограничного слоя в катод и на отрицательный электрод-токосъемник.
  6. Дырки за электронами последовать не могут, т.к. дрейфовать способны только в пределах кристалла.
  7. Электронам ничего не остается, как пройти по электрической цепи и отдать полученную от Солнца энергию потребителю, это и есть электрический фототок.
  8. Оказавшись в анодной области, электроны получают очередной «пинок» от квантов солнечного света, который не дает им рекомбинировать с дырками и запускает в цепь снова и снова, пока кристалл освещен.

Еще слово к кулибиным

За самодельные СБ берутся чаще всего радиолюбители и электронщики. Как правило, в основах теории полупроводников они разбираются. Для них, на всякий случай, поясним, чем отличается ФЭП от похожего на него диода, и почему выжать значительный фототок из кристаллов диодов/транзисторов не получится:

  • Степень легирования анода и катода ФЭП на порядки, и даже на много порядков выше, чем у активных электронных компонент.
  • Катод и анод легированы примерно в одинаковой степени, насколько позволяет планарно-эпитаксиальная технология.
  • Пограничная область широкая (назвать ее p-n переходом в данном случае можно только с большой натяжкой), чтобы было больше «рабочего пространства» для квантов света, а объемный заряд в ней весьма велик. В производстве компонент электронных схем стремятся к обратному, чтобы повысить быстродействие.

Особенности структуры ФЭП исходят из того, что он не приемник электроэнергии в виде приложенного напряжения, а ее генератор. Отсюда следуют выводы, важные уже для любых пользователей:

  1. Т.к. попавших в кристалл квантов света всегда больше, чем свободных электронов там, лишние кванты тратят свою энергию на возбуждение атомов кристалла, отчего он со временем портится, это т.наз. деградация или старение ФЭП. Попросту говоря, СБ изнашивается, как и любая техника, и со временем садится, как и любая электрическая батарея.
  2. Прохождение электрического тока при подключении ФЭП к цепи потребителя ускоряет деградацию, т.к. принудительно дрейфующие в кристалле электроны, так сказать, бьют по атомам и постепенно выбивают их со своих мест.
  3. Запас энергии в ФЭП определяется величиной объемного заряда, солнечный свет только инициирует его перераспределение.
  4. ФЭП и состоящие из них СБ боятся загрязнений: постепенно проникая (диффундируя) в кристалл, они нарушают его структуру. «Ядовитые» примеси есть и в воздухе, а «смертельная» для фотоэффекта их доза ничтожна.

П. 3 требует дополнительных пояснений. Именно: СБ не способна выдавать экстраток. К примеру, стартерная аккумуляторная батарея (АКБ) емкостью в 90 А/ч кратковременно выдает ток в 600 А. Теоретически – еще много более, пока не взорвется от перегрева. Но, если в спецификации на СБ написано «Ток КЗ (короткого замыкания) 6А», то больше из нее и не выжать никакими способами.

Примечание, на всякий случай: легировать кремний до бесконечности нельзя, он превратится просто в грязный металл («высокая» степень легирования выражается десятичной дробью со многими нулями после запятой). А в металлах внутреннего фотоэффекта не бывает. Эффект Холла можно с трудом нащупать, но фотоэффект принципиально невозможен: зону проводимости металлов заполняет вырожденный электронный газ, он просто не пустит кванты внутрь, оттого металлы и блестят. Да, зона в данном случае – не область пространства, а совокупность состояний частиц, описываемая системой квантовых уравнений.

Устройство

Один ФЭП без нагрузки создает разность потенциалов 0,5 В. Она определяется квантовыми свойствами кремния и ни от каких внешних условий не зависит. Под нагрузкой напряжение ФЭП падает, т.к. его внутреннее сопротивление велико. Квантовая механика закона Ома не отменяет. Поэтому напряжение батареи берут с полуторным запасом: если, к примеру, 12 В СБ набирается из модулей на 0,5 В, то их берут по 36 на столб, что даст напряжение ХХ (холостого хода) в 18 В. На полуторную перегрузку по напряжению питания рассчитываются все потребители постоянного тока. Ток КЗ одного ФЭП – от нескольких до сотен мА; он зависит от площади экспонированной (освещенной) поверхности элемента.

В продажу и на сборку поступают модули (элементы) из многих ФЭП, соединенных на общей подложке последовательно, параллельно или и так, и этак; их напряжение ХХ и ток КЗ указываются в спецификации на изделие. С этим связано распространенное заблуждение, что, мол, СБ нужно набирать только из элементов на 0,5 В, а другие – некондиция. Наоборот, модули от добросовестного производителя на, скажем, 6V 4W, т.е. на 6 В и 0,67 А, будут надежнее самосборных с теми же параметрами. Хотя бы потому, что здесь ФЭП выращены на одной пластине и их параметры точно совпадают.

В схеме солнечной батареи SB (см. рис.) модули PE соединяются в столбы E, обеспечивающие нужное напряжение; как правило – 12, 24 или 48 В. Столбы для получения требуемого рабочего тока соединяются параллельно. Т.к. модули в столбах не обязательно выполнены из одного и того же кристалла, внутренние сопротивления столбов несколько различаются, «плывет» и напряжение под нагрузкой. Через столбы малость помощнее (с меньшим внутренним сопротивлением) потечет обратный ток, а от него деградация ФЭП происходит стремительно. Радиолюбителям можно вспомнить, что, если диод хоть чуть-чуть приоткрыть «со стороны», он начинает пропускать и обратный ток, на этом основана работа тиристора. Поэтому столбы блокируются от «обратки» диодами VD. Чаще всего используют диоды Шоттки, т.к. падение напряжения на них невелико и дополнительного охлаждения на больших токах им не требуется. Но иногда (см. далее, о СБ-самоделках) может понадобиться и диод с p-n переходом.

Электрическая принципиальная схема солнечной батареи с обвязкой

Электрическая принципиальная схема солнечной батареи с обвязкой

При включении/выключении мощных потребителей неизбежно возникают т. наз. переходные процессы, сопровождающиеся экстратоками. Всего на несколько мс, но нежной СБ этого хватит, чтобы быстро сесть. Поэтому к СБ для питания мощных устройств обязательно необходима буферная АКБ GB. Управляет распределением токов в СБ контроллер C; это управляемый источник тока, регулирующий и ограничивающий рабочий ток СБ совместно с током заряда АКБ. В простейшем случае разряд АКБ – свободный сообразно уровню потребления. Инвертор I преобразует постоянный ток от АКБ в переменный 220 В 50 Гц или другой, какой требуется.

Примечание: обвязка справа на схеме (C, I, GB) может обслуживать несколько или много SB. Тогда получим солнечную электростанцию (СЭС).

Очень важные обстоятельства, следующие из вышесказанного: первое, АКБ должна быть включена в схему постоянно. Строить СБ по схеме «глухих» UPS, в которых АКБ дает ток только при пропадании сети – значит обречь СБ на быструю деградацию вследствие экстратоков. Ресурс АКБ в «проточной» схеме существенно снижается, но тут уж ничего не поделаешь, разве что использовать дорогие АКБ с гелевым электролитом. Так что не надо и еще раз не надо конструировать СБ с компьютерными UPS. Второе – рабочий ток нужно брать примерно 80% от тока КЗ. Если, к примеру, по расчету вышел ток первичной цепи 12 В в 100 А, то СБ нужно проектировать на 120 А.

Третье – в данной схеме при глубоком разряде АКБ возможен обратимый системный отказ, когда все исправно, а тока нет. Поэтому в реальных СЭС обвязку дополняют сигнализацией переразряда АКБ (пищит еще противнее, чем UPS без сети) и автоматикой, выключающей инвертор, если хозяева проигнорировали сигнал. В самых дорогих СЭС инвертор имеет несколько выходов, проводка 220 В – несколько ветвей, и автоматика отключает потребителей в порядке, обратном их приоритету; холодильник, напр., последним.

Конструкция электрической солнечной панели

Конструкция электрической солнечной панели

СБ без обвязки принято называть солнечной панелью. Ее конструкция (см. рис.) обеспечивает прежде всего уменьшение световой деградации, затем – эффективное использование света и механическую прочность. Первое дает главным образом специальное стекло, отсекающее кванты, которые наверняка не дадут тока; чувствительность ФЭП к лучам разных зон спектра существенно неравномерна. Некоторую фильтрацию света дает и пленка ЭВА, но она более предназначена для повышения эффективности: уменьшает светопреломление и боковое отражение, т.е. просветляет покрытие. Стекло, ЭВА и элементы под ней «слеплены» в единый пирог без воздушных зазоров, так что подобная конструкция – не для любителей. ПЭТ-подкладка, во-первых, механический демпфер(кристаллический кремний – вещество хрупкое, а пластины элементов тонкие). Во-вторых, она изолирует модули от корпуса панели электрически, но обеспечивает теплоотдачу греющихся в работе элементов, т.к. ПЭТ получше других пластиков проводит тепло. О диодах уже было сказано. Весь пирог помещается в прочный металлический корпус (он же служит теплоотводом) и тщательно герметизируется.

Гибкая солнечная батарея

Гибкая солнечная батарея

Примечание: в продажу поступают и гибкие СБ, см. рис. справа. Они могут быть дешевле и эффективнее жестких панелей той же мощности, но помните – эти СБ не рассчитаны на преобразование отдаваемого тока. Применяются гибкие СБ в основном для питания потребителей постоянного тока небольшой мощности в разного рода мобильных или удаленных необслуживаемых объектах.

Покупные СБ

Чтобы подготовиться к покупке или изготовлению СБ или СЭС, нужно усвоить понятия пикфактора, пикового и долговременного энергопотребления. В быту это проще, чем в сложных энергосистемах. Допустим, у вас на щитке со счетчиком стоят автоматы защиты или пробки на 25 А. Тогда от сети вы можете взять до 220х25=5500 Вт или 5,5 кВт. Это и есть ваше пиковое потребление, но, если рассчитывать электросеть на пик, то она выйдет неоправданно дорогой: мощные потребители не включаются надолго и все сразу.

Электрики при расчете электросетей берут пикфатор = 5; соответственно, долговременная потребляемая мощность будет 0,2 от пиковой. В нашем случае – 1,1 кВт. Однако, если рассчитать СЭС на такой пик, то емкость АКБ получится слишком большой, сама батарея – дорогой, а ее ресурс – гораздо меньше нормального. Для минимизации стоимости СЭС ее пикфактор нужно брать вдвое меньше, 2,5. В СЭС СБ «тянут» долговременную нагрузку, а пики берет на себя АКБ, т.е. нам в данном случае нужна СБ на 2,2 кВт и АКБ, способная отдавать 5,5 кВт в течение часа или 1,1 кВт в течение 12 час (темное время суток).

Экономика

Цена СБ на рынке держится в пределах 50-55 руб. за 1 Вт мощности для поликремниевых батарей (см. ниже) и 80-85 руб./Вт для монокремниевых. Но тут вмешиваются дополнительные обстоятельства:

  • КПД монокремниевых СБ более чем вдвое выше чем поликремниевых (22-38% против 9-18%) и они долговечнее.
  • Мощность поликремниевых СБ в пасмурную погоду падает меньше, и по истечении срока службы они полностью деградируют медленнее.
  • Коэффициент использования энергии (КПД по энергии) буферной кислотной АКБ составляет 74%, а прочие их типы, кроме ужасно дорогих литиевых, для буферизации СБ подходят плохо.

С учетом этих факторов и климатических условий РФ цена 1 Вт выравнивается и оказывается около 130-140 руб./Вт. СБ на 1,1 кВт, таким образом, обойдется где-то в 140-150 тыс. руб. Надолго ли ее хватит? Сроки службы СБ никак не регламентированы; производители дают обычно 5, 10, 15 и 25 лет. Что по данным выходного контроля 5 лет не протянет, идет в продажу поэлементно для самосборки. Учтите, самодельщики!

Цена готовой СБ, разумеется, растет сообразно сроку службы. По изучении фирменных деклараций и подсчетов наиболее окупаемыми оказываются СБ на 15 лет. Здесь есть коварная тонкость: СБ выпускаются кондиций Grade A, Grade B, Grade C и Ungrade (некондиция). Соответственно, мощность СБ к концу срока службы падает на величину до 5%, 5-30% и свыше 30%. Однако, если вы купите СБ Grade A на 5 лет, то рассчитывать, что она потом протянет еще 25, пока не зачахнет на 30%, нельзя. Вследствие возрастания нагрузки на оставшиеся исправными ФЭП в элементе процесс деградации развивается лавинообразно: поли- держатся еще полгода-год, а моно- 2-4 месяца.

Итак, считаем дальше. При правильном выборе первичного постоянного напряжения (см. далее) за 15 лет понадобится 1 замена АКБ стоимостью около 70 тыс. руб. Плюс обвязка, провода, шины, коммутационные элементы, металлоконструкции или работы на крыше, это еще примерно 150 тыс. руб. Около 30 тыс. обойдется аккумуляторная; ставить АКБ в жилых помещениях категорически нельзя. Имеем:

  1. СБ – 150 000 руб.
  2. АКБ – 140 000 руб.
  3. Обвязка – 150 000 руб.
  4. Аккумуляторная – 30 000 руб.

Итого 470 000 руб. СЭС под ключ той же мощности обойдется примерно в 1,2-1,5 млн. руб. Но насколько оправдано то или другое?

В 15 годах 15х24х365=131 400 часов. Мы за это время потребим 131 400х1,1=144 540 кВт/ч. 1 кВт/ч от своей СЭС обойдется в 470 000/144 540 = 3,25 руб. Действующие расценки (от 3,15 до более чем 6 руб.) вы знаете. Выгода вроде не очень, учитывая, что эти «пол-лимона» нужно еще где-то взять, не влезая в долги по теперешним кредитным ставкам. Тем не менее, строить себе СЭС уже оправдано в таких случаях:

  • В удаленных труднодоступных местах с нестабильным энергоснабжением. Жизнь дороже любых тарифов. Хотя бы тепличных растений и домашних животных, дающих пропитание и доход.
  • В товарных хозяйствах, требующих непрерывного энергообеспечения, тех же теплицах или, допустим, птичниках. Можно строиться на дешевой земле без инфраструктуры, а затраты на СЭС, возможно, сразу же окажутся меньше стоимости прокладки фидера электропитания.
  • В больших домовладениях, систематически перебирающих базовый лимит потребления.
  • В коллективном пользовании. Пример: СЭС на 15 кВт пиковых (3 средних дома) обойдется где-то в 1,5 млн. руб. самостроем или 2,5 млн. руб. под ключ. «Сбросившись» с соседями/родственниками, получим те же 500 000 руб. и 5 кВт на дом, но стабильно и безо всяких сношений с энергокомпаниями.

У кого брать?

Однако бежать «за батарейками» рано. На рынке СБ ситуация очень сложная: высокий и неупорядоченный, на грани ажиотажного, спрос во всем мире порождает жесткую и зачастую недобросовестную конкуренцию. Мировой лидер в данном сегменте – КНР, и благодаря не «китайским» ценам (они вовсе не демпинговые), а действительному качеству. Но Китай – страна очень неоднозначная; шанхайско-уханьских оффшорных подвальчиков, маскирующиеся под надежные госпредприятия, там хватает. С другой стороны, западные «киты» отрасли в панике под угрозой банкротства пускаются во все тяжкие, лишь бы товар вперить, не щадя своего доброго имени.

Инженерный калькулятор с солнечной батареей

Инженерный калькулятор с солнечной батареей

В России по части выбора производителя есть неплохая отдушина. Электроника и полупроводниковая промышленность СССР и РФ по научно-техническому уровню всегда были на высоте; первые ЦП Intel, между прочим, делались из советского кремния, Силиконовая долина тогда еще разворачивалась. Но по валу советско-российская электроника заметна в мире никогда не была; работали в основном «на войну». В перестройку в продаже замелькали изделия лучше тогдашних мировых, но конкурировать с «акулами» было уже поздно. К примеру – см. рис. Работает безотказно до сих пор, расчеты к статье на нем делались. А у его более дорогих и с меньшими возможностями ровесников Casio и Texas Instruments клавиши стерлись и СБ сели уже давно.

Ныне в РФ действуют несколько предприятий, располагающих чистыми помещениями, обученным персоналом, инженерно-техническими кадрами и опытом работы в данной сфере. На плаву они держатся благодаря правильной рыночной тактике: закупают у проверенных китайских поставщиков компоненты СБ, пропускают через собственных входной контроль и собирают в панели по всем правилам технологии. Заявленным параметрам их продукции можно верить безусловно. К сожалению, таких после прошедших пертурбаций осталось немного:

  1. Телеком-СТВ в Зеленограде, торговая марка ТСМ.
  2. РЗМКП, Рязань, ТМ RZMP.
  3. НПП «Квант», Москва, складные переносимые СБ.

В последнее время на рынке СБ хорошо продвигается МикроАРТ (ТМ «Инвертор»), и вроде бы не зря. Но фальстартов в данном сегменте было и было, так что к «Инвертору» нужно еще присмотреться. Есть еще одно обстоятельство: пленка ЭВА. Она должна быть морозостойкой, иначе при минусовых температурах грубеет, постепенно отслаивается и СБ выходит из строя. Поэтому при выборе нужно обязательно смотреть диапазон рабочих температур и допустимое время воздействия минимальной. Или, в конечном итоге – срок гарантии в данных климатических условиях.

Какие брать?

То, что утверждения вроде «моно – круто, поли – отстой» скорее эмоциональны, чем обоснованы, вам, наверное, уже ясно. Разница между ними, кстати, не столь уж принципиальна. Кремниевые болванки высшей кондиции, наиболее однородно перекристаллизовавшиеся, идут на большие чипы. 1 кондиция – на среднюю степень интеграции, 2-я – на дискретные компоненты, и только 3-я – на СБ. «Моно» отличаются от «поли» тем, что в первых на срезе одного кристалла в болванке (кристаллита) выращивается несколько ФЭП или 1 большой; в поликремниевых СБ мелкие ФЭП занимают каждый примерно по 1-му также мелкому кристаллиту.

Поликристаллический и монокристаллические модули солнечных батарей

Поликристаллический и монокристаллические модули солнечных батарей

Однако производители и торговцы-жулики пытаются выдать вовсе негодные поли- за моно-, заменяя обозначение сходным по смыслу, но с буквой «м» в начале: мультикристаллические, микроструктурные и т.п. Поэтому напоминаем: поликристаллические модули СБ синего цвета, чаще всего с заметной иризацией (переливами цветов), слева на рис. Монокристаллические очень темные, до совершенно черных; иризация если и есть, то заметна мало, справа там же. А вообще-то на глаз или электрическими измерениями определить качество модуля невозможно, нужен лабораторный химический, кристаллографический и микроструктурный анализ. Чем торговцы-прощелыги вовсю и пользуются.

О первичном напряжении

Чаще всего рекомендуют брать СБ на 12 В. Мол, можно включать 12-вольтовые лампочки-экономки и не нужен спецконтроллер. Во-первых, оборудование постоянного тока на 24, 36 и 48 В вовсе не «спец», это стандартные значения ряда напряжений. Во-вторых, доля экономок в энергопотреблении – всего ничего, а отдельная проводка для них нужна. Но главное не в этом.

Выше подсчитано – для среднего дома нужна буферная АКБ на 5,5 кВт пиковых. Ток от нее при часовом разряде будет 5500/12 = 458,(3) или приближенно 460 А. В широкой продаже есть банки для АКБ емкостью до 210-240 А/ч, из них набирают стартерные АКБ тяжелой спецтехники. Не говоря о стоимости, без запараллеливания АКБ не обойтись, а работать в параллель АКБ любят не больше элементов СБ и по тем же причинам; это общее свойство всех источников постоянного тока. В итоге – АКБ за 100-120 тыс. руб. прослужит от силы 5-6 лет, и за 15 лет понадобится 2-3 ее замены.

А теперь возьмем «первичку» DC в 48 В. Лучше бы 60-72, постоянный ток до 100 В безопасен, только СБ таких не делают. В смысле воздействия на организм человека 50/60 Гц – самые опасные частоты, только деваться уже некуда, их значения сложились исторически. Тогда получим при часовом разряде 5500/48 = 114,58(6) А и емкость АКБ 120 А/ч. Это обычная автомобильная батарея, плюс можно использовать долговечные герметизированные AGM, GEL, OpzS, если денег на них не жалко. И прослужит худшая изо всех (автостартерная) не менее 8 лет, а то и все 15. А обойдется вдвое дешевле огромной.

Схема солнечной электростанции с буферной батареей на 48 В

Схема солнечной электростанции с буферной батареей на 48 В

Есть еще один нюанс. Взгляните на рис. – схему СЭС с первичкой 48 В. Справа внизу – главный автомат на 175 А. Для 12 В понадобится на 700 А. Видели ли вы такие в продаже? Постоянного тока? Сколько стоят? Плюс прочая сильноточная коммутация, автоматика, провода и шины. В общем, если отбросить торговые накрутки, то первичная цепь на 48 В сокращает стоимость СЭС вдвое и более.

Примечание: и упаси вас боже подключать СЭС к уличному вводу! Придется платить дядям по счетчику за свои расходы и труды. Нужно после счетчика поставить пакетник (это уже абонентская проводка и здесь вы полный хозяин, только о ТБ не забывайте) и переключаться обратно с Солнца на общую сеть, вдруг понадобится. Скажем, при замене АКБ или длительном ненастье.

СБ и самоделки

Первое, что надо знать гелиоэнергетику-любителю – в продажу вразброс идут модули отбракованные, которые 5 точно не прослужат. Даже если вы организуете дома чистое производство, они уже «отравлены» ядом медленного действия – вредными примесями. Вдобавок, чтобы сделать фирменный «пирог», нужна камера с глубоким вакуумом, поэтому собрать СБ придется в вентилируемом ящике, а значит – элементы подпадают под атмосферные влияния. Без отвода омического тепла модули СБ деградируют буквально на глазах. Так что на срок службы более 2-3 лет лучше не рассчитывать.

Тем не менее, самоделки могут быть полезными, т.к. 100 Вт их мощности обойдется менее чем в 3000 руб. Какие именно – посмотрим чуть ниже, а пока задержимся на технологии сборки. Достаточно полно она показана здесь:

Видео: изготовление солнечной батареи своими руками

Конструкторы для самостоятельной сборки солнечных батарей

Конструкторы для самостоятельной сборки солнечных батарей

Добавить можно немногое. Первое, не берите в работу явный брак, рассылаемый навалом, слева на рис. Лучше купить конструктор, см. рис. справа. Они комплектуются флюсовыми карандашами и специальными проводниками, что намного уменьшает паечный брак.

Неправильная сборка солнечных батарей

Неправильная сборка солнечных батарей

Паять обычным паяльником с канифольным флюсом (справа на рис. слева) тоже не нужно. Контактные площадки модулей серебрёные (кремний не паяется), слой серебра тоненький и держится еле-еле. В домашних условиях он наверняка выдерживает только 1-кратную пайку (на производстве автоматами – 3-кратную), причем паяльником с бронзовым никелированным жалом. Не пытайтесь залудить его, таким паяльником паяют всухую.

Впрочем, умельцы СБ паяют и обычными паяльниками со всяческими предосторожностями; как – можно посмотреть здесь:

Видео: лужение и пайка контактов

Третий момент – до сборки модули нужно откалибровать и столбы собирать из пластин с примерно одинаковыми параметрами (см.видео ниже). Набрать из некондиции модулей на 48-вольтовые столбы почти никогда не удается, так что самодельные СБ делают 12-вольтовыми или 6-вольтовыми.

Видео: калибровка элементов

Теперь о случаях, когда сделать солнечную батарею самому имеет полный смысл. Первый – описанная выше лодка-«резинка». Схема ее энергоустановки – на рис. ниже. Такая же подойдет и для дачи, только вместо мотора нужно включить инвертор 12VDC/220VAC 50 Hz на 200-300 Вт. Для телевизора, небольшого холодильника и музыкального центра этого хватит. Выключатель S2 рабочий, S1 – ремонтно-аварийный и для зимнего хранения.

Электрическая схема маломощной мобильной солнечной электростанции

Электрическая схема маломощной мобильной солнечной электростанции

Штука здесь в том, что падение напряжения на обычном диоде при увеличении тока через него возрастает. Ненамного, но в сочетании с ограничительным резистором Rp (то и другое рассчитано под свинцово-кислотную АКБ 12В 60А/ч!) перегрузка СБ по току длится даже при полностью «пустой» АКБ не более 2-3 мин. Если такая ситуация возникает раз в день, то СБ прослужит от 4 лет, т.е. больше, чем самосбор из некондиции. А бензиновый движок за это время съел бы топлива на сумму, много большую стоимости установки.

Второй случай – зарядка для мобильника. Для нее лучше купить готовый модуль на 6V 5W; схема к нему – на рис:

Схема зарядки мобильного телефона от солнечной батареи

Схема зарядки мобильного телефона от солнечной батареи

Выключатель S1 и яркий белый светодиод D3 – тестовые. Если же вы хотите повозиться именно с солнечными модулями, то предлагаем ролики (см. ниже). В данном случае на СБ пойдет и явный брак поштучно, цена копеечная. Кстати, это хорошая практика работы с солнечными элементами прежде чем браться за большую СБ, и полезное приспособление будет.

Видео: мини солнечная батарея для зарядки телефона — сборка и тестирование

Установка и юстировка

Установка солнечных батарей и коллекторов стационарной конструкции производится чаще всего на крыше. Тут возможны 2 решения: либо разобрать часть кровли и включить корпус СК/СБ в силовую схему ригеля крыши (ее каркаса без кровельного пирога), а затем загерметизировать зазор, либо установить панель на подставках из металлических штырей, проходящих сквозь кровлю. А стропила, на которые пришелся крепеж, усилить поперечинами.

Первый способ, разумеется, труднее и требует довольно сложных строительных работ. Однако с его помощью решается не только проблема ветроустойчивости панели. Совсем небольшой подогрев корпуса со стороны чердака намного уменьшает вероятность отслоения пленки ЭВА и увеличивает надежность всей установки. Поэтому в местах с сильными морозами/ветрами он безусловно предпочтителен.

45684648468

Что касается передвижных (мобильных) или отдельно стоящих наземных панелей, то их монтируют на объемный каркас либо подставку (опору) из металла, дерева и др. Если панель будет на каркасе, его нужно чем-то обшить, чтобы задувший сзади ветер не заставил панель продемонстрировать свои аэродинамические качества, довольно-таки неплохие.

Ориентировать на максимум среднегодовой (среднесезонной) инсоляции (юстировать) неподвижные панели нужно по возможности точнее. Курочка по зернышку клюет, а копейка рубль бережет – в данном случае эти поговорки сказываются в полной мере применительно к сроку окупаемости установки. Азимут выставляют точно по меридиану. Если вы для этого пользуетесь компасом, нужно учесть магнитное склонение места; в GPS или ГЛОНАСС устройствах – включить соответствующую поправку. Можно и отбить полуденную линию (это и есть меридиан), как описано в школьных учебниках по природоведению, географии, астрономии или, скажем, в руководствах по постройке солнечных часов.

Наклон панели по углу места ? в зависимости от его географической широты ? вычисляют для разных случаев с поправкой на наклон земной оси ?=23,26 градуса, вследствие которого высота стояния Солнца в средних широтах меняется по сезонам года:

  • Для летних установок ? = ?-?; если ?=<0, панель укладывается горизонтально.
  • Для сезонных весна-лето-осень ? = ?
  • Для круглогодичных ? = ?+?

Если в последнем случае выйдет ?>90 градусов – вы за Полярным кругом, и зимняя панель вам не нужна. Далее для простоты и точности по углу ? вычисляют величину подъема северного края панели в единицах длины как h = Lsin?, где L – протяженность панели с юга на север. Скажем, панель длиной 2 м установлена вдоль по меридиану. ? вышел в 30 градусов. Тогда северный край (sin 30 градусов = 0,5) нужно поднять на 1 м. При sin? = 1 или около того панель ставится вертикально.

В заключение

Россию, что ни говори, нельзя назвать страной, идеальной для развития солнечной энергетики. Но невелика честь взять, что плохо лежит. А вот прийти к поставленной цели вопреки всему и когда всё против тебя – это большой успех надолго, если только цель достойная и полезная. Примеров в истории много: Голландия, Чили (окультуривание бесплодных земель), Япония – промышленный гигант, почти начисто лишенный источников сырья, в мире как в целом – освоение КВ-радиоволн радиолюбителями (специалисты во всеоружии тогдашних теорий считали их никуда не годными), а в России – хотя бы постройка Транссибирской магистрали, до сих пор аналогов себе не имеющей. Тут самодельшикам есть где разгуляться и, если случится «русское солнечное чудо», наверняка в этом будет и немалая их заслуга.

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.