Солнечные панели - как альтернативный источник электроэнергии

 

 

За последние годы во всем мире наблюдается все возрастающая тенденция к стремлению независимости от традиционных источников энергии (в том числе электрической) и все больше владельцев частных домов и коттеджей начинают интересоваться солнечной энергией. Люди отказываются (полностью или частично) от использования электроэнергии для различных бытовых нужд и начинают с успехом пользоваться солнечными панелями (батареями).

Солнечные батареи (далее СБ) – это генераторы электроэнергии, которая преобразовывается ими от солнечной энергии, при отсутствии каких-либо движущихся частей, вредных выбросов в атмосферу, не требующие периодического дорогостоящего обслуживания.

Солнечные батареи состоят из отдельных фотоэлементов - кремниевых пластин, преобразующих солнечную энергию в электрическую.При падении солнечного света на фотоэлемент, его материал поглощает определенную часть солнечного света -фотоны. Каждый фотон несет в себе какое-то количество энергии. Во время поглощения фотона происходит инициирование процесса освобождения электрона в солнечном элементе. В момент поглощения фотона в цепи возникает ток. Таким образом, солнечный элемент производит электроэнергию, которую можно использовать сразу либо сохранять в аккумуляторной батарее. Существует множество типов и разновидностей солнечных батарей, однако в большинстве случаев используются модели мощностью 80-240Вт. Для получения большей мощности можно соединить несколько солнечных панелей между собой.

Солнечные панели генерируют электричество даже тогда, когда нет прямого солнечного излучения. Таким образом, даже в условиях облачности, фотоэлектрическая система продолжает производить электрический ток. Но наибольшей эффективности от работы СБ можно добиться, когда их угол наклона оптимален по отношению к солнцу, и их поверхность перпендикулярна солнечным лучам.

Особенностью СБ является то, что они генерируют постоянный ток. То есть напрямую к ним нельзя подключать те электроприборы, которым необходим переменный ток. поскольку они обычно работают от переменного тока. К солнечным панелям напрямую можно подключить только приборы, работающие на постоянном токе, например, светодиодные ленты с напряжением 12В.

Таким образом, сгенерированная СБ электроэнергия может использоваться как напрямую, приборами, работающими на постоянном токе в режиме «онлайн», либо преобразовываться в переменный ток с помощью специального прибора – инвертора, а также может быть запасена в аккумуляторных батареях различного типа и емкости и служить некоторого рода автономией в процессе электроснабжения различного рода объектов.

3.1 История развития технологии солнечных панелей

 

 

Солнечные панели" (солнечные батареи) - это наборы соединенных друг с другом и заключенных в раму "солнечных ячеек". "Солнечная ячейка" (солнечный элемент) - это небольшое полупроводниковые устройство, преобразующиее энергию света в электрическую. Это явление было открыто в 1839 году французским физиком Эдмондом Беккерелем и было названо в последствии "фотовольтаическим эффектом". Исследованиями в этой области в 19м веке занимались многие ученые в разных странах. В 1888 году русский физик Александр Столетов сформулировал основные законы преобразования света в электрический ток и создал первую "солнечную ячейку".

Фотоэлектрический эффект был открыт в 70-х годах 19 века. Тогда ученые обнаружили явление, связанное с освобождением электронов твердого тела или жидкости под действием электромагнитного излучения.

В 30-х годах прошлого века советский академик А. Ф. Иоффе высказал мысль об использовании полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике.

Рекордный коэффициент полезного действия (КПД) тогдашних материалов не превышал 1%, то есть, в электричество превращалась лишь сотая часть световой энергии. После многолетних экспериментов удалось создать фотоэлементы с КПД до 10-15%.

В 1839 г. известным французским физиком Александром Эдмондом Беккерелем был открыт фотогальванический эффект. В тот период никто и не предполагал, что история готовила этому открытию.

В 1883 г. Чарльз Фритте сконструировал первый солнечный модуль на основе селена. КПД этого модуля составлял не более 1%. Но это было только начало.

Есть интересный факт: известный физик Альберт Эйнштейн получил в 1921 г. Нобелевскую премию не за свою теорию относительности, а за изучение особенностей внешнего фотоэффекта.

В 1954 г. были созданы первые "солнечные ячейки" на основе кристаллов кремния.

Затем американцы построили солнечные батареи современного типа. В 1959г. они были установлены на одном из первых искусственных спутников Земли и с тех пор все космические станции оснащаются многометровыми солнечными панелями.

В 1963 году компанией Sharp была реализована концепция солнечной панели. В 1967 солнечные панели впервые были использованы на пилотируемом космическом аппарате - "Союз-1". Фотовольтаические технологии активно исследовались в разных странах и особенно в космических державах США и СССР. Энергетичекий кризис 1970х годов подтолкнул работы в этой области, но производство солнечных панелей еще долгое время оставалось довольно дорогим

В 1970-х гг. прошлого века солнечные батареи начали входить в повседневный быт. Сначала это были только бытовые приборы, где питание обеспечивалось фотоэлементом над жидкокристаллическим дисплеем, но очень скоро инженеры начали пытаться использовать солнечную энергию для обогрева и освещения зданий

С конца 1980х годов продолжался рост производства и продаж солнечных панелей. Из экзотической космической технологии солнечные элементы стали настолько обычными, что их стали использовать для бытовых приборов - калькуляторов, часов и т.п., а также начали строить малые и средние электростанции. В 1999 году общая мощность солнечных панелей установленных в мире достигла 1 гигаватта. За последующие десять лет последовал настоящий солнечный бум. В 2009 году общая мощность фотовольтаических электростанций мира достигла 23 гигаватт, в 2010 увеличилась всего за год почти двукратно - до 40 гигаватт. На начало 2012 года общая мощность солнечной фотовольтаической энергетики оценивается в 70 гигаватт и, как ожидается, продолжит расти.

Россия - северная страна, где возможности использования солнечной энергии естественным образом ограничены. Тем не менее стоит задуматься о том, что в соседнем Европейском Союзе в 2010 году солнечные панели обеспечили 22,5 тераватт-часов энергии, причем лидерами солнечной энергетики в ЕС являются не самые солнечные Германия, Бельгия и Чехия

 

3.2 Солнечные батареи

 

 

Солнечная батарея представляет собой плоскую панель, состоящую из размещенных вплотную фотоэлементов и электрических соединений, защищенную с лицевой стороны прозрачным твердым покрытием.

Число фотоэлементов в батарее может быть различным, от нескольких десятков до нескольких тысяч. Площадь панели у больших промышленных солнечных батарей может достигать 1000 м², а максимальная генерируемая мощность — десятков кВт.

В основе действия солнечной батареи лежит принцип работы фотоэлемента, способного преобразовывать падающее на него световое излучение в электрический ток.

В обычный летний день солнечные батареи способны давать до 90 кВт/час. Среднестатистическое потребление электроэнергии семьи из 3-4 человек — около 10 кВт/час.Излишки электроэнергии аккумулируютсяс помощью электролизера в водород.

В темное время суток электричество вырабатывает энергоустановка с компрессорной системой, использующая ранее запасенный водород.

Хранение водорода является безопасным за счет специальных емкостей из особого сплава.

Фотоэлектрические преобразователи — это батареи, которые за счет полупроводников напрямую преобразуют солнечную энергию.

Существуют также органические солнечные батареи. Они преобразуют солнечные лучи в электричество с помощью генетически модифицированных клеток, напечатанных на тонком пластике с проводником.

Технология перспективная, но пока эффективность устройств слишком низкая для того, чтобы создавать на их основе автономные системы питания зданий.

В фотоэлектрических преобразователях используют в качестве полупроводников кремний и арсенид со структурой AlGaAs-GaAs.

Рисунок 5- тонкопленочный фотогальванически элемент

 

Основным материалом для производства солнечных элементов является достаточно распространенный химический элемент – кремний (Si), составляющий почти четвертую часть массы земной коры. Однако встречается он в природе в связанном виде. Это обычный песок (SiO2), покрывающий километры пляжей, песок, которым наполняют детские песочницы, песок, используемый при производстве бетона или стекла. Технология извлечения чистого кремния (силициума) сложна и настолько дорога, что стоимость чистого (не более одного грамма примесей на 10 кг продукта) силициума сопоставима со стоимостью обогащенного урана, необходимого для работы атомных электростанций. И хотя природные запасы кремния больше запасов урана почти в 100 000 раз, качественного чистого кремния, из-за сложности получения, производится почти в 6 раз меньше, чем уранового топлива для АЭС

Применение панелей в комплексе с др. устройствами

Фотоэлектрические панели используют как основной или дополнительный источник электрической энергии (в зависимости от региона) в комплексе с другими источниками энергии, к примеру, ветрогенераторами.

Остальные составляющие системы (аккумуляторы, контроллер заряда, инвертор и др.) устанавливают в отведенных для этого помещениях, желательно отапливаемых, но не жилых.

 

 

3.3 Виды солнечных панелей. Материалы

Монокристаллический кремний

Наиболее эффективными и распространенными для широкого потребления являются монокристаллические кремниевые элементы. Для изготовления таких элементов кремний очищается, плавится и кристаллизуется в слитках, от которых отрезают тонкие слои. Внешне монокристаллические элементы выглядят как однотонная поверхность темно-синего или почти черного цвета. Скозь кремний проходит сетка из металлических электродов. Эффективность такого элемента составляет от 16 до 19% в стандартных условиях тестирования (прямой солнечный свет, +250С).

Срок службы таких панелей у хороших производителей составляет обычно 40-50 лет. Производительность за каждые 20-25 лет службы постепенно снижается примерно на 20%.

 

Рисунок 6- Монокристаллический кремний

 

Поликристаллический кремний

Технология принципиально не отличается от монокристаллических элментов, но разница состоит в том, что для изготовления используется менее чистый и более дешевый кремний. Внешне это уже не однотонная поверхность, а узор из границ множества кристаллов. Эффективность такого элемента составляет от 14 до 15%. Тем не менее эти панели пользуются примерно такой же популярностью на рынке, что и монокристаллические, поскольку пропорционально эффективности снижается цена производства.

В России перспективнее все же использовать монокристаллические панели, поскольку при неразвитости собственного производства и больших расстояниях целесообразнее ввозить и транспортировать более эффективные панели.

Ленточный кремний

Принципиально такой же как и предыдущие типы, отличается лишь тем, что кремний не нарезается от кристалла, а наращивается тонким слоем в виде ленты. Антибликовое покрытие дает радужную окраску таким панелям. Эта технология не смогла завоевать рынок, занимая на нем лишь около 2%. В Росси почти не встречается.

Аморфный кремний

В этом типе используются не кристаллы, а тончайшие слои кремния, напыленные в вакууме на пластик, стекло или металл. Этот тип является наиболее дешевым в производстве, но обладает серьезным недостатком. Слои кремния выгорают на свету значительно быстрее, чем у предыдущих типов. Снижение производительности на 20% может произойти уже через два месяца. Очень часто в России привлеченные низкой ценой люди приобретают такие панели и потом разочаровываются, поскольку уже через год-два такой элемент перестает давать энергию.

Распознать такую панель на вид можно по более блеклому сероватому или темному цвету непонятных оттенков. На данном этапе развития этой технологии, применение таких панелей в России не рекомендуется.

Теллурид кадмия

Этот тип тонкослойных солнечных элементов обладает потенциально большей эффективностью и в качестве проводящего компонента использует оксид олова. Эффективность составляет 8-11%. По себестоимости эти элементы не намного дешевле моно- и поли- кристаллических кремниевых и обладают проблемой использования токсичного кадмия. Сейчас этот тип элементов занимает менее 5% общего рынка. Допуск таких панелей в Россию нежелателен в первую очередь из-за отечественного неумения обращаться с потенциально токсичной продукцией.

Другие элементы

Помимо вышеперечисленных есть еще много различных солнечных элементов, не получивших большого распространения. Потенциально перспективными являются медно-галлиевые, концентрирующие, композитные и некоторые другие элементы.

Производство солнечных панелей растет бешеными темпами, стараясь поспеть за стремительно растущим спросом. Причем одновременно растет спрос и для промышленных электростанций и для бытового потребления.

Лидером в производстве солнечных панелей является Китай. Здесь производят почти треть (29%) от общемировой продукции. При этом большая часть уходит на экспорт - в США и Европу. Примечательно, что американцы, являясь крупнейшим потребителем, производят лишь 6% от всех солнечных панелей, предпочитая инвестировать в перспективные крупные заводы в Китае.

Ненамного от Китая отстают Япония и Германия, которые производят соответственно 22% и 20% от общемировой продукции. Еще одним лидером является Тайвань - 11% рынка. Все остальные страны производят значительно меньшее количество солнечных панелей.

 

 

4 Инновационные разработки в области солнечной энергетики и применение солнечных панелей

 

 

Областей применения солнечных батарей становится все больше с каждым днем. Эти устройства с успехом проявляют себя в сфере промышленности, сельского хозяйства, военно-космических отраслях и даже в быту. Чтобы понять, насколько обширно использование солнечных батарей, давайте совершим небольшое виртуальное турне по нашему необъятному миру.

В 1957 году в СССР был запущен первый искусственный спутник с применением фотогальванических элементов, а в 1958 г. США произвели запуск искусственного спутника Explorer 1 с солнечными панелями. С 1958 года кремниевые солнечные батареи стали основным источником энергии для космических кораблей и орбитальных станций.

 

Рисунок 7 - спутник Explorer 1 с солнечными панелями.

 

И по сей день космос — одна из главных сфер, где применяются солнечные батареи (ныне, конечно, более совершенных конструкций, чем в прошлом веке).. На сегодняшний день основная масса выпускаемых солнечных батарей имеет КПД чуть более 20 процентов.. Исследования Spectrolab показывают, что солнечная ячейка в теории способна преобразовать в ток до 70% падающего солнечного света, а на практике технически достижимым следует признать показатель в 50%. Это число и будет ориентиром для отрасли на ближайшее время. К сожалению, линии электропередач, опутавшие большую часть нашей планеты, всё ещё не могут добраться в самые труднодоступные уголки, которые подключать к ресурсам электростанций оказывается дороже, чем установить солнечную батарею, преобразующую в электроэнергию обычный дневной свет.

 

Рисунок 8 - Солнечные батареи обеспечивают электроэнергией прибайкальскую метеостанцию на склонах Хамар-Дабан

Как Вы думаете решают вопрос отсутствия электроэнергии в некоторых отрезанных от цивилизации домах? Устанавливать электростанцию на жидком или твердом топливе оказывается дороже и ущербнее для окружающей экологии, чем использовать солнечные батареи. Чаще всего ими укрывают крыши домов, так что в солнечный день они вырабатывают электричество, которого достаточно и для освещения и работы бытовых устройств. А специальный проект в Испании оказался ещё успешнее. Из экономических соображений ряд современных домов был оборудован солнечными батареями, энергия которых используется для нагрева воды. Оказавшись отключенными от электричества, дефицит горячей воды и проблема с отоплением им не грозит.

Рисунок 9 -Дом с солнечными батареями на крыше не подвержен перепадам в электросети

Что интересно, такими панелями можно оборудовать практически любой дом, например, дачу или домик в деревне, к которой не подведен "свет". Дабы удостовериться в этом, специалисты сайта www.sun-battery.biz провели эксперимент, в котором водрузили солнечную батарею "AP-640" (кстати, купить её может каждый желающий) на крышу одного из домов. Результат — автономное освещение внутри и работа нескольких электрозависимых устройств (телевизор, холодильник и т.п.).

Рисунок 10 - Солнечные батареи AP-640 решают проблему электроснабжения домов

 

Аргументов в пользу солнечных электростанций не счесть, но основным из них является экологичность. Примером, где отсутствие вредных выбросов солнечными батареями в окружающую среду сделало их альтернативой традиционными источникам электроэнергии, стала солнечная электростанция, расположенная недалеко от испанского местечка Севильи. Солнечные батареи водрузили на башню, на которую направили зеркала, отражающие и фокусирующие свет. Довольными остались около 10 тысяч близлежащих домохозяйств, которые снабжаются электроэнергией, преобразованной из света от солнца.

Рисунок 11 -Самая крупная солнечная электростанция в Испании имеет мощность в 20 мегаватт

Солнечные батареи оказались практически единственным источником электроэнергии за пределами Земли. Ими оснащаются все космические аппараты. Когда Солнце освещает их, они вырабатывают электроэнергию, которая аккумулируется бортовыми батареями и используется для питания оборудования в тех местах, где свет недосягаем. В отличие от атомных электрогенераторов они не выделяют вредных веществ.2

Рисунок 12 -Солнечные батареи обеспечивают электроэнергией МКС

Солнечные батареи нашли применение и в наземном транспорте. Не так давно компания Toyota стартовала продажи своей модели Prius, оборудованной гибридным двигателем. На крыше автомобиля нового поколения располагаются солнечные батареи, от которых тот при внезапно закончившемся топливе сможет проехать ещё километров 5.

 

Рисунок 13 -Автомобиль на солнечных батареях экологически безопасен и беспрецедентно экономичен