IT News
Дата Категория: Транспорт
Автомобили, работающие на солнечной энергии, все еще находятся в стадии разработки, поэтому сильно отличаются друг от друга по внешнему виду, конструкции и основным параметрам.
Но все эти автомобили, как и те, что показаны в этой статье имеют основные общие закономерности. — это наличие солнечных собирающих панелей, которые поглощают солнечный свет и преобразуют его в электричество.
В большинстве моделей это электричество накапливается в аккумуляторах, откуда оно поступает в электродвигатель, а тот вращает колеса.
Конструкторы стремятся сделать солнечные автомобили такими, чтобы они могли с большей эффективностью использовать свои запасы энергии. Поэтому большинство подобных автомобилей изготовлено из легких материалов и имеют обтекаемую форму, чтоб уменьшить сопротивление ветра.
Теоретически солнечный автомобиль способен работать бесконечно долго, ведь ему не требуется иного топлива, кроме солнечного света. К тому же он не производит никаких выбросов, то есть не портит природу. Однако у него есть большой недостаток: такой автомобиль не может двигаться ночью и при сплошной облачности.
Сейчас специалисты работают над тем, чтобы преодолеть подобные ограничения.
Схема устройства автомобиля на солнечных батареях
Электричество, получаемое в панелях солнечных коллекторов, передается по проводам в накопительную батарею, то есть в аккумулятор. Аккумулятор питает электродвигатель, который вращает колесный вал и колеса. Специальная система механической передачи, имеющая 12 скоростей, позволяет эффективно использовать энергию в разных дорожных условиях.
Солнечная батарея
Каждый солнечный элемент состоит из двух слоев кремния: Р-типа, то есть позитивный или положительный, и N-типа, то есть негативный или отрицательный. Когда свет попадает на такой элемент, он освобождает электроны в слое Р-типа, которые сами переходят в слой N-типа. Двигатель солнечного автомобиля пользуется запасами этого тока.
Автомобиль «Southern Cross»
Автомобиль «Southern Cross» имеет наклоняемую солнечную панель
Японский «Саузен кросс» имеет длину около 20 футов, весит 620 фунтов и двигается по ровной поверхности со скоростью до 25 миль в час. А так же он оснащен подвижной солнечной панелью.
Подвижная солнечная панель
Чтобы солнечные коллекторы поглощали наибольшее количество света, панель может наклоняться (справа) по направлению к солнцу — даже во время движения автомобиля.
Коллекторная солнечная панель обтекаемой формы
Автомобиль «Солар флер»(Solar flare), построенный в Калифорнийском университете, участвовал в автомобильной гонке «World Solar» — «Мир солнца» 1990 года. Тогда он прошел по необжитым районам Австралийского материка 1800 миль и занял в гонке 11-е место.
Автомобиль имеет в длину двадцать футов и 9200 солнечных элементов толщиной меньше визитной карточки. Корпус автомобиля сделан из эпоксидной смолы, армированной углеродом. На борту находится серебряно-цинковая аккумуляторная батарея.
Одного ее заряда — без дополнительной солнечной подпитки — хватает на 125 миль пути.
Гонка по Австралии не обошлась без трудностей. Часто ломалась цепная передача, которая использовалась для привода заднего колеса, — как в мотоцикле. И часто прокалывались колеса. Непредвиденные остановки снижали среднюю скорость. Во время той гонки она оказалась равной 27 милям в час вместо предполагавшихся 42 миль в час. После технической доработки «Solar flare» принял участие в двух автогонках по Соединенным Штатам в 1991 году и победил в них.
Источник: http://information-technology.ru/sci-pop-articles/27-transport/6187-ustrojstvo-avtomobilya-na-solnechnykh-batareyakh
Сравнение моно, поли и аморфных солнечных батарей
При выборе модуля часто задается вопрос: какая солнечная батарея лучше – монокристаллическая или поликристаллическая, а может аморфная? Ведь они самые распространенные в наш век. Чтобы найти ответ, было проведено множество исследований. Рассмотрим, что же показали результаты:
КПД и срок службы
Монокристаллические элементы имеют КПД около 17-22%, сроки их службы не менее 25 лет. Эффективность поликристаллических может достигать 12-18%, служат они тоже не менее 25 лет. КПД аморфных составляет 6-8% и снижается гораздо быстрее кристаллических, работают они не более 10 лет.
Температурный коэффициент
В реальных условиях использования солнечные батареи нагревается, что приводит к снижению номинальной мощности на 15-25%. Средний температурный коэффициент для поли и моно составляет -0,45%, аморфного -0,19%. Это значит, что при повышении температуры на 1°C от стандартных условий кристаллические батареи будут менее производительными, чем аморфные.
Потеря эффективности
Деградация солнечных монокристаллических и поликристаллических модулей зависит от качества исходных элементов – чем больше в них бора и кислорода, тем быстрее снижается КПД. В поликремниевых пластинах меньше кислорода, в монокремниевых – бора.
Поэтому при равных качествах материала и условий использования особой разницы между степенью деградации тех и других модулей нет, в среднем она составляет около 1% в год. В производстве аморфных батарей используется гидрогенизированный кремний. м водорода обусловлена его более быстрая деградация.
Так, кристаллические деградируют на 20% через 25 лет эксплуатации, аморфные быстрее в 2-3 раза. Однако некачественные модели могут потерять эффективность на 20% уже в первый год использования. Это стоит учесть при покупке.
Стоимость
Тут превосходство полностью на стороне аморфных модулей – их цена ниже, чем кристаллических, из-за более дешевого производства. Второе место занимают поли, моно же самые дорогие.
Размеры и площадь установки
Монокристаллические батареи более компактны. Для создания массива требуемой мощностью понадобится меньшее количество панелей по сравнению с другими видами. Так что при установке они займут немного меньше места. Но прогресс не стоит на месте, и по соотношению мощность/площадь поликристаллические модули уже догоняют моно. Аморфные же пока отстают от них – для их установки понадобится в 2,5 раза больше места.
Светочувствительность
Здесь лидируют аморфно-кремниевые модули. У них лучший коэффициент преобразования солнечной энергии из-за водорода в составе элемента. Поэтому они, по сравнению с кристаллическими, в условиях слабой освещенности работают эффективнее. Моно и поли, при плохом освещении работают примерно одинаково – значительно реагируют на изменение интенсивности света.
Годовая выработка
В результате тестирования модулей разных производителей было установлено, что монокристаллические за год вырабатывают больше электроэнергии, чем поликристаллические. А те в свою очередь производительнее, чем аморфные, несмотря на то, что последние вырабатывают энергию и при слабой освещенности.
Можно сделать вывод, что солнечные батареи моно и поли имеют небольшие, но важные различия. Хотя mono все-таки эффективнее и отдача от них больше, но poly все равно будут пользоваться большей популярностью. Правда, это зависит от качества продукции. Тем не менее, большинство крупных солнечных электростанций собраны на базе полимодулей. Связано это с тем, что инвесторы смотрят на общую стоимость проекта и сроки окупаемости, а не на максимальную эффективность и долговечность.
Теперь об аморфных батареях. Начнем с преимуществ: метод их изготовления самый простой и малобюджетный, потому что не требуется резка и обработка кремния. Это отражается в невысокой стоимости конечной продукции. Они неприхотливы – их можно установить куда угодно, и не привередливы – пыль и пасмурная погода им не страшны.
Однако у аморфных модулей есть и недостатки, перекрывающие их достоинства: по сравнению с вышеописанными видами, у них самый низкий КПД, они быстро портятся – эффективность снижается на 40% менее чем за 10 лет, и требуют много места для установки.
Источник: http://b-eco.ru/articles/mono_poly_amorphous/
Какой срок службы солнечной батареи и от чего он зависит
При установке систем автономного энергосбережения возникают обычно два вопроса, сколько такая система прослужит и за какой период времени она окупится. От ответов именно на эти вопросы чаще всего зависит целесообразность приобретения автономных энерго систем.
Срок службы таких систем, как солнечные панели довольно разный и это зависит от ряда факторов, таких как тип панелей.
Сроки службы
Как показывают результаты практического применения, срок службы солнечных панелей составляет не менее 20 лет. После истечения этого срока начинает наблюдаться постепенное снижение мощности систем. Это зависит от типа и особенностей вотоэлементов. На монокристаллах батареи обычно работают до 50 лет, а на поликристаллах до 30 лет. Тонкопленочные батареи обычно служат около 10 лет.
Большинство производителей дают стандартную гарантию на панели, в пределах от 10 до 25 лет, в зависимости от типа и мощности батарей и технологий производства. Срок гарантии зависит от самого типа и вида панелей и ячеек.
Сама же гарантия от производителя подразумевает гарантию того что мощность панелей за этот срок снизиться не более чем на 10%. Потому как падение более чем на 10% уже опасно и чревато снижением эффективности всей установленной системы.
Для солнечных панелей важен каждый ватт получаемой и производимой энергии.
Такие системы как из аморфного кремния (тонкопленочная технология) , к примеру, теряют около 10-40% мощности в первые несколько сезонов, но затем их мощность фиксируется на этом показателе и уже не падает.
Что влияет на срок службы
Принято считать, что стандартный срок службы кристаллических панелей составляет около 30 лет. Для того чтобы определить реальную потерю мощности и скорость старения панелей есть ряд различных тестов. Эти тесты демонстрируют, что ресурс панелей на самом деле очень велик и их деградация после нескольких десятков лет не так уж и велика.
Падение производительности солнечных батарей может быть связано с тремя основными факторами:
- разрушение герметизирующей сам модуль пленки;
- замутнение поверхности пленочной прослойки между фото ячейками и основным защитным стеклом;
- разрушение текстуры тыльной пленки батареи.
Для эффективной герметизации панелей используют специальную пленку EVA (ethylene vinyl acetate). Использование такой пленки необходимо для защиты панелей от вредного воздействия извне.
Под действием ультрафиолетовых лучей поверхность пленки постепенно разрушается, так как они уязвимы и эластичны, поэтому легче поддаются таким воздействиям.
В результате ухудшается герметичность и впоследствии влага начинает просачиваться внутрь самой панели. Это явление очень негативно сказывается на здоровье всей системы.
Также пленка EVA впоследствии может терять и оптические свойства, что может приводить к потере мощности и получаемой энергии. Также микро капли негативно воздействуют на пайку, контакты начинают разрушаться и это приводит к сопротивлению, перегреву и дальнейшему полному разрушению.
Производители обычно гарантируют снижение эффективности работы панелей не более чем на 20% в течении 25 лет. Но это относиться только к производителям и брендам, которые зарекомендовали себя на рынке как авторитетные торговые марки.
В это же время более скромные компании, при производстве панелей экономят на всех материалах, плюс технология производства не всегда современная и достаточно технологичная, все это в перспективе влияет на эффективность работы системы.
Именно поэтому такие панели от неименитых производителей стоят на порядок дешевле.
Такая экономия на материалах и технологии производства негативно сказывается на работе системы, и уже через несколько сезонов можно наблюдать снижение предполагаемой мощности до 40%. Поэтому рекомендуется относиться к выбору компании производителя со всей серьезностью и ответственностью.
Дополнительные факторы
На срок службы влияет и качество самой EVA-пленки, равно как и защитного ламинирующего покрытия. Некачественное покрытие дает ощутимую усадку уже в первый же сезон. Это приводит к практически полной разгерметизации панели, резкому снижению КПД и выходу изделия из строя.
На срок работы системы влияет и качество самой пленки, а также качество защитного покрытия. Некачественное покрытие даст ощутимую усадку уже после первого сезона. Это в итоге может привести к полной разгерметизации панели, снижению эффективности панелей и в дальнейшем выход из строя панелей.
Еще один важный аспект в показателях долговечности – это толщина соединительных проводов, ведь от этого тоже многое зависит. Толщина провода должна обеспечивать надежное проведение энергии, то есть должна обладать необходимой пропускной способностью. Такая способность обычно заявлена в документах на систему. Если же сама шина довольно тонкая, а в дешевых системах это не редкость, то такие панели и провода довольно быстро выйдут из строя.
Срок окупаемости
Срок окупаемости системы довольно разный и зависит от типа панелей. Срок эксплуатации зависит от типа используемых панелей, производителя, количества панелей. В плане количества панелей именно из-за этого рекомендуется проводить грамотный расчет, чтобы мощность системы была достаточной для необходимых целей.
Большое значение имеет качество выполнения паяных соединений. В случае недобросовестной и некачественно пайки, контакты начнут выходить из строя, возрастет напряжение и впоследствии система может попросту выйти из строя.
Место проживания. То есть особенности погоды, климата, количество ясных дней в году, от этого напрямую зависит количество вырабатываемой энергии, а отсюда и эффективности всей системы.
Расценки на энергоресурсы в конкретном регионе, где установлены панели, только проведя эти расчеты можно достоверно посчитать размер экономии.
В общем, срок окупаемости составляет примерно около 2.5 лет. В Росси же этот срок примерно от 5 до 10 лет, в зависимости от региона, тарифов и прочих факторов.
Источник: https://konveyt.ru/info/articles/kakoy_srok_sluzhby_solnechnoy_batarei_i_ot_chego_on_zavisit/
Орбитальная электростанция: между фантастикой и планированием
Средства массовой информации Китая рассказали о намерении страны построить орбитальную солнечную электростанцию и начать передачу энергии из космоса на Землю уже к 2030 году. Так что можно прекращать качать нефть и добывать уголь, впереди мир ждет много чистой, возобновляемой, а в перспективе очень дешевой электроэнергии? «Известия» разобрались в ситуации.
Солнце. Практически неисчерпаемый источник энергии под боком у человечества. Проекты использования солнечной энергии человечество копит с античности, и до последних лет пятидесяти их все отличали два основных критерия: принципиальная возможность и неэффективность. Панели солнечных батарей были созданы уже более ста лет назад, но и до сих пор количество солнечных электростанций в общем количестве энергообеспечения нашей планеты относительно невелико.
Есть несколько серьезных причин, мешающих повсеместному распространению солнечных электростанций. Во-первых, это атмосфера и погодные явления, сильно снижающие эффективность использования. Даже в самый ясный день земная атмосфера минимум на 36% уменьшает количество получаемого фотоэлементами солнечного света, а про плохую погоду, когда фотоэлементы практически бесполезны, и говорить не стоит.
Еще одна серьезная проблема — это невозможность использовать солнечную энергию постоянно. В ночное время электростанция опять же стоит без дела, что приводит к ее сильному удорожанию. Требуется наличие аккумуляторов для хранения выработанной за дневное время энергии и специальной сети подстанций для сглаживания пиков потребления.
Кроме того, солнечные электростанции обладают большей эффективностью при расположении ближе к экватору, в идеале в пустынях, а значит, требуется передавать энергию к пользователям на значительные расстояния.
Остаются еще регулярная необходимость очистки фотоэлементов или зеркал от пыли, необходимость постоянно поворачивать их для максимального получения солнечных лучей и до кучи вопросы экологов.
Большую часть этих проблем можно было бы решить, просто запустив солнечную электростанцию в космос, что и собирается сделать Китай. Впрочем, при этом возникнет много других, возможно, еще более сложных вопросов.
Космический концепт
Судя по имеющейся информации, ничего кардинально нового китайцы пока не придумали. Подобные идеи выдвигаются учеными и инженерами по всему миру уже более 70 лет.
Если вкратце, предлагается вывести на околоземную орбиту космическую станцию с большим количеством солнечных панелей, которые преобразуют энергию фотонов нашего светила в постоянный электрический ток.
Всё точно так же, как на Международной космической станции, только в гораздо больших размерах собственно космического аппарата и количестве получаемой энергии.
Единственным принципиальным отличием является то, что орбита будущей электростанции должна быть геостационарной, она пролегает в 35 786 км от поверхности Земли. Тогда скорость полета электростанции будет совпадать с вращением Земли и станция будет находиться всё время над одним местом на поверхности нашей планеты.
На такой же орбите чаще всего работают спутники связи, организующие вещание в конкретном регионе. Кроме того, подобная орбита хороша еще и небольшим количеством космического мусора.
На Международной космической станции солнечные панели достаточно быстро (менее чем за 10 лет) выходят из строя и теряют эффективность за счет повреждения фотоэлементов микроскопическими частицами космического мусора.
За счет размещения на орбите, вне действия плотных слоев земной атмосферы, станция окажется гораздо эффективнее, чем земная электростанция таких же размеров. «Если вы поставите солнечные панели в космосе, они будут работать 24 часа в сутки, семь дней в неделю, 99,9% времени в году», — говорит Пол Яффе, космический инженер Научно-исследовательской лаборатории ВМС США, работающий над подобным проектом по заказу американских военных. Его слова приводит Business Insider.
За счет того что в космосе нет атмосферы, солнечные панели работают на 36% эффективнее. За счет отсутствия ночей и плохой погоды работоспособность увеличится еще более чем вдвое.
Кроме того, панели направлены на солнце всегда под идеальным углом. Ученые считают, что космическая солнечная электростанция примерно в восемь раз эффективнее, чем ее земной аналог.
Ток без права передачи
Правда, при космическом расположении появляется новый серьезный вопрос: как передавать электричество на Землю? В настоящее время есть два способа сделать это: лазер и электромагнитные волны вроде тех, что используются для передачи радиочастот или разогрева еды в микроволновой печи. Передача энергии при помощи лазера долго изучалась специалистами NASA, после чего от этой идеи отказались как от неэффективной.
Правда, это было в 80-х годах прошлого века, когда коэффициент полезного действия (КПД) лазеров не превышал 10–20%. С учетом потерь на передачу и преобразование световой энергии в электричество получалось, что потребитель получит лишь несколько процентов от передаваемой изначально энергии.
Однако с появлением новых технологий в начале 2000-х годов ситуация серьезно изменилась. В настоящее время есть инфракрасные лазеры с КПД до 40−50%.
Серьезно улучшилось качество фотоэлементов, принимающих энергию лазерного луча (модули на основе арсенида галлия способны преобразовывать в электричество до 40%, а при определенных условиях до 70).
Даже в условиях работы в земной атмосфере при помощи лазера можно передавать энергию, например заряжать висящий в воздухе беспилотник (таким проектом, например, в России занимаются Виталий Капранов, Иван Мацак и группа молодых инженеров из Комитета инновационных проектов молодежи (КИПМ) РКК «Энергия»).
В случае с лазерным лучом, бьющим из космоса, тоже особых проблем не будет — на Земле будет построена специальная структура с модулями из арсенида галлия, и они будут максимально эффективно преобразовывать прилетевший из космоса луч в электричество, за счет фотонов определенной длины волны это будет гораздо эффективнее, чем с солнечной энергией.
Кстати, российский ЦНИИмаш шесть лет назад выступал с идеей создания российских космических солнечных электростанций (КСЭС) мощностью 1–10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям. И российские исследователи считают лазерную передачу энергии на Землю более эффективной.
Вот что говорит об этом главный научный сотрудник ЦНИИмаша Валерий Мельников: «Значительно меньшая расходимость лазерного луча по сравнению с СВЧ-сигналом дает на порядки меньшую площадь передающих и приемных систем, а из-за малой площади приема появляется возможность энергоснабжения высокоширотных регионов России, Канады, Гренландии и других островов в северных широтах, а также Антарктиды от КСЭС, находящейся на геостационарной орбите».
Второй вариант, который как раз и рассматривают китайцы, — это передача сигнала на Землю при помощи радиоволн. Специальное устройство на солнечной электростанции будет переводить постоянный ток в радиоволны и посылать их массивный пучок на Землю. Проблема в том, что для создания радиоволн требуется специальная каркасная конструкция большого размера.
Практически вся площадь солнечных панелей с обратной стороны будет занята под специальную систему генерирующего радиоволны и передающего их на Землю устройства. На Земле же пучок радиоволн будет улавливаться ректенной (от англ.
rectifying antenna — выпрямляющая антенна). Это специальное устройство будет представлять собой нелинейную антенну, предназначенную для преобразования энергии поля падающей на нее волны в энергию постоянного тока.
Естественно, что ректенна тоже теряет энергию при получении и переработке радиоволн.
Важно подобрать частоту таким образом, чтобы передача излучения была не ионизирующей во избежание возможных экологических проблем. Именно эту задачу и будут решать китайские ученые в 2021–2025 годах, пытаясь передавать энергию в условиях земной атмосферы. Экспериментальная база для таких опытов уже построена в городе Чунцин.
Поэтому можно не бояться, при передаче энергии планету не поджарит гигантской микроволновкой, люди даже не заметят дополнительного излучения. Как не замечаем мы огромного количества радиоволн, постоянно находящихся в атмосфере планеты. Предполагается, что плотность сигнала будет довольно низкой и не будет угрожать людям, самолетам или птицам, пролетающим через него.
Однако точно сказать об этом получится лишь после натурных опытов.
По расчетам ректенна получится больше размером, чем специальная станция с фотоэлементами для переработки лазерного луча. А вот как с эффективностью передачи — пока непонятно. Российские ученые настаивают на лазерном варианте, Китай и США — на использовании микроволнового излучения.
Пора или не пора
Так что же тогда удерживает людей от создания экологичных и практически бесперебойных солнечных электростанций? Прежде всего высокая цена проекта. Современные ракеты могут доставить на геостационарную орбиту подобные электростанции только за достаточно большое количество запусков. А ведь их требуется на орбите собирать, и не факт, что это можно сделать без человеческого участия.
Современные подсчеты показывают, что подобные электростанции будут окупаться десятилетиями и дольше, пока на Земле существует множество альтернативных, хоть и гораздо менее наукоемких способов получать электроэнергию.
Китайцы говорят о возможности использования 3D-печати отдельных элементов прямо на орбите, чтобы сэкономить на запусках. Да, первый космический принтер, печатающий объекты прямо на орбите, вот уже несколько лет находится на Международной космической станции, и с его помощью даже было напечатано несколько пластиковых инструментов, однако использовать такой способ для изготовления электростанции прямо в космосе пока не пробовал никто.
Вторая проблема — это эффективность подобной солнечной электростанции. Пока по расчетам вроде получается, что она эффективнее, чем солнечная, расположенная на Земле, даже с учетом множества потерь на передачу электроэнергии. Но как это будет в реальности, без эксперимента не сможет сказать никто.
Вот и получается, что ничего сверхфантастического в создании космической электростанции на орбите нет, однако объем финансовых вложений и неясный результат отпугивают от таких проектов потенциальных инвесторов.
Если же Китаю получится создать и запустить солнечную электростанцию на орбите, то это станет не сверхвыгодным способом получения энергии, а скорее показателем научной и инженерной силы стремительно растущего «восточного дракона».
По крайней мере у других держав дальше планов и разработок пока дело не сдвинулось.
Источник: https://iz.ru/849526/mikhail-kotov/orbitalnaia-elektrostantciia-mezhdu-fantastikoi-i-planirovaniem
Устройство солнечной батареи. Виды солнечных панелей
Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs). Ниже будут даны краткие описания каждой из них.
Солнечные батареи основе кремния
Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний.
В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями. Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе.
Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами Si.
Различают два основных типа кремниевых СБ – на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического.
В первом случае используется высококачественный (и, соответственно, более дорогой) кремний выращенный по методу Чохральского, который является стандартным методом для получения кремниевых пластин-заготовок для производства микропроцессоров и микросхем. Эффективность СБ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%.
Не так давно, фирма Panasonic заявила о начале промышленного выпуска СБ с эффективностью 24,5% (что вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению ~30%).
Во втором случае для производства СБ используется более дешевый кремний произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле (block-cast), специально разработанного для производства СБ. Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов (типичные размеры 1-10мм) разделенных границами зерен.
Подобные неидеальности кристаллической структуры (дефекты) приводят к снижению эффективности – типичные значения эффективности СБ из mc-Si составляют 14-18%.
Снижение эффективности данных СБ компенсируется их меньшей ценой, так что цена за один ватт произведенной электроэнергии оказывается примерно одинаковой для солнечных панелей как на основе c-Siтак и mc-Si.
Тонкопленочные солнечные панели
Возникает вопрос – зачем разрабатывать другие типы модулей, если солнечные панели на основе моно- и мультикристаллического кремния уже созданы и показывают неплохие результаты? Очевидный ответ — чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными c-Si и mc-Siсолнечными батареями.
Дело в том, что обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, перечисленными выше, обладают и рядом недостатков.
Кемний из-за своих особых электрофизических свойств (непрямозонный полупроводник) обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн.
Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.
В то же время, прямозонные полупроводники на вроде GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2, и даже некоторые модифицированные формы Si, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон.
Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника.
Еще одной положительной чертой СБ на основе вышеназванных полупроводников – в отличие от СБ на основе c-Si и mc-Si– является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).
Исследования СБ на основе теллурида кадмия (CdTe) начались еще в 1970х годах ввиду их потенциального использования в качестве перспективных для космических аппаратов. А первое широкое применение «на земле» подобные СБ нашли в качестве элементов питания карманных микрокалькуляторов.
Данные элементы представляют собой гетероструктуру из тонких слоев p-CdTe / n-CdS (суммарная толщина 2-8 мкм) напыленных на стеклянную подложку (основу). Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Основным (и фактически единственным) производителем СБ на основе теллурида кадмия является американская фирма FirstSolar, которая занимает 4-5% всего рынка.
К сожалению, есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe. Кадмий – это экологически вредный тяжелый метал, который требует особых методов обращения и ставит сложный вопросутилизации старых изделий.
В виду этого, законодательство многих стран ограничивает свободную продажу гражданам СБ этого типа (строятся только масштабных солнечных электростанций под гарантии утилизации от фирмы производителя). Второй элемент – теллур, довольно редко встречается в земной коре.
Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу – довольно призрачны.
Солнечные батареи на основе соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2 (иногда обозначаются как CIGS) являются новичками на рынке солнечной энергетики.
Несмотря на то, что начало исследований элементов этого типа было положено еще в середине 70х, в настоящее время коммерческий выпуск в боле-менее солидных масштабах ведет всего лишь фирма SolarFrontierKKиз Японии.
Отчасти это связано с технически сложным и дорогим процессом изготовления, хотя в некоторых (удачных!) случаях их эффективность может достигать 20%.
Несмотря на отсутствие экологически вредных элементов в составе этого соединения, значительному расширению производства данных солнечных модулей в будущем угрожает дефицит индия. Ведутся исследования с целью заменить дорогой In на более дешевые элементы и может быть скоро появятся новые изделия на основе соединения Cu2ZnSn(S,Se)4.
Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния a-Si:H. Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены также и на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:
— увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;
— использовать аморфный кремний (a-Si), обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний (с-Si).
По первому пути пошла австралийская фирма CSGSolarLtd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм.
По второму – швейцарская OerlikonSolar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния a-Si / с-Si эффективность которых также составляет 11-13%.
Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных — наоборот). Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.
Концентраторные солнечные модули
Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев: Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP.
Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника.
К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.
Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат.
Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 см2 и сфокусировав его на 1 см2 солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 см2 без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади! Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе, которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы.
В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.
Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем
Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.
Трушин М.В. Ph.D
Источник: https://www.helios-house.ru/ustrojstvo-sb.html
Расчет солнечной батареи и аккумуляторов, комплекта солнечной электростанции
Очень часто при обращении за подбором оборудования или при выборе солнечной электростанции клиенты задают вопрос: Как рассчитать мощность и количество солнечных батарей и аккумуляторов и какой мощности выбрать солнечную электростанцию. В этой статье мы попробуем разобраться с этим вопросом, и я постараюсь простым языком, без углубления в детали объяснить как это сделать.
В первую очередь нужно узнать сколько электроэнергии вы потребляете в сутки, это можно сделать взяв средние ежемесячные показания счетчика электроэнергии и разделить на 30 дней. Так мы получим среднее потребление в сутки. Например соц норма в РО на двух чел составляет 234кВт, что около 8кВт.ч электроэнергии в сутки. Соответственно нам необходимо чтобы солнечные батареи вырабатывали такое же количество энергии в день.
Расчет количества солнечных батарей и их мощности
Так как солнечные панели вырабатывают электрическую энергию только в светлое время суток, то это необходимо учесть в первую очередь, так же стоит понимать, что выработка в пасмурные дни и зимой очень сильно снижается, и может составлять 10-30 процентов от мощности панелей.
Для простоты и удобства мы будем делать расчет с апреля по октябрь, по времени суток основная выработка идет с 9 до 17 часов, т.е. 7-8 часов в день.
В летнее время интервалы конечно будут больше, с восхода до заката, но в эти часы выработка будет значительно меньше номинала, поэтому мы усредняем.
Итак 4 солнечные батареи мощностью 250Вт. (всего 1000Вт). За день выработают 8кВт.ч энергии, т.е. в месяц это 240кВт.ч. Но это идеальный расчет, как мы говорили выше, в пасмурные дни выработка будет меньше, поэтому можно лучше взять 70% от выработки, 240 * 0,7 = 168 кВт.ч. Это усредненный расчет без потерь в инверторе и аккумуляторных батареях. Так же это значение можно применить для рассчета сетевой солнечной электростанции где не используются аккумуляторные батареи.
Расчет аккумуляторов для солнечной электростанции
Далее перейдем к расчёту ёмкости аккумуляторной батареи для солнечных панелей. Их количестов и емкость должна быть такой, чтобы энергии которая в них запасается хватило на темное время суток, стоит учесть что ночью потребление электроэнергии минимально, по сравнению с дневной активностью.
Аккумулятор на 100А.ч. запасает примерно 100А * 12В = 1200Вт. (лампочка на 100Вт. проработает от такого акб 12 часов). Так если за ночь вы потребляете 2,4кВт.ч. электричества, то вам необходимо установить 2 АКБ по 100А.ч.
(12В), но тут стоит учитывать что аккумуляторы нежелательно разряжать на 100%, а лучше не более 70%-50%. Исходя из этого получаем, что 2 АКБ по 100А.ч. будут запасать 2400 * 0,7 = 1700Вт.ч.
Это верно при разряде не большими токами, при подключении мощных потребителей происходит просадка напряжения и емкость по факту уменьшается.
Если вы хотите рассчитать, какая емкость аккумулятора нужна к солнечной батари, ниже приводим таблицу соответствия (для системы 12В.):
- Солнечная батарея 50Вт. — АКБ 20-40А.ч.
- 100Вт. — 50-70А.ч.
- 150Вт. — 70-100А.ч.
- 200Вт. — 100-130А.ч.
- 300Вт. — 150-250А.ч.
Мощность инвертора и потери в нем
Теперь что касается инвертора, он тоже имеет свой КПД а это порядка 75-90%, т.е. все полученные величины выработки энергии и запаса можно относить к этим процентам. В итоге лучше брать двойной запас емкости для аккумуляторов, Так при потреблении 2400Вт.ч за ночь, устанавливать 4 АКБ емкостью 100А.ч. 100А*12В*4 = 4800Вт.ч. Мощность инвертора показывает номинальную нагрузку которую можно подключить к нему, т.е количество и тип бытовых приборов.
В Итоге получаем солнечную электростанцию на 2,5кВт:
- Солнечные батареи 4шт. по 250Вт. Выработка в месяц 170 -240кВт.ч (36тыс.руб.)
- АКБ по 100А.ч. 4 шт. запас до 4800 Вт. (AGM аккумуляторы 50тыс.руб.)
- Инвертор 2,4кВт номинальная мощность подключаемого оборудования (27тыс.)
Итого 113 тыс. руб. за комплект оборудования.
Мощность бытовых приборов, потребление электроэнергии
Теперь что касается потребителей и их мощности, приведем основные из них:
- Телевизор Led – 50-150Вт.
- Холодильник класса А – 100-300Вт. (только во время работы компрессора)
- Ноутбук – 20-50Вт
- Лампа энергосберегающая – 30Вт, Светодиодная 3-9Вт
- Котел настенный (электроника + встроенный насос) – 70-130Вт.
- Роутер – 10-20Вт.
- Кондиционер 9 – 700-900Вт.
- Эл. Чайник – 1500Вт.
- Микроволновка – 500-700Вт.
- Стиральная машина – 600 – 900Вт.
- регистратор + 4 камеры – 30-50Вт.
Все мощности указаны в час работы прибора, стоит учитывать, что большинство приборов работают непродолжительное время, чайник подогрев – 5мин, холодильник включается раз в 2-3 часа на час для поддержания темп. Насос котла тоже работает по мере поддержания температуры теплоносителя. Так же можно рассчитать и другие приборы по этому принципу.
на тему расчета солнечной электростанции
Источник: https://enpartner.ru/novosti/raschet-solnechnoj-batarei-i-akkumulyatora-solnechnoj-elektrostantsii
Солнечные батареи: как это работает
Солнечные батареи уже сейчас используются для питания самой разнообразной техники: от мобильных гаджетов до электромобилей. Как устроены, какими бывают и на что способны современные солнечные батареи, вы узнаете из этой статьи.
История создания
Так исторически сложилось, что солнечные батареи – это уже вторая попытка человечества обуздать безграничную энергию Солнца и заставить ее работать себе на благо. Первыми появились солнечные коллекторы (солнечные термальные электростанции), в которых электричество вырабатывает нагретая до температуры кипения под сконцентрированными солнечными лучами вода.
Солнечная термальная электростанция в испанском городе Севилья
Солнечные же батареи производят непосредственно электричество, что намного эффективнее. При прямой трансформации теряется значительно меньше энергии, чем при многоступенчатой, как у коллекторов (концентрация солнечных лучей, нагрев воды и выделение пара, вращение паровой турбины и только в конце выработка электричества генератором).
Современные солнечные батареи состоят из цепи фотоэлементов – полупроводниковых устройств, преобразующих солнечную энергию напрямую в электрический ток. Процесс преобразования энергии солнца в электрической ток называется фотоэлектрическим эффектом.
Данное явление открыл французский физик Михаил Эдмон Беккерель в середине XIX века. Первый же действующий фотоэлемент спустя полвека создал русский ученый Михаил Столетов. А уже в двадцатом столетии фотоэлектрический эффект количественно описал не требующий представления Альберт Эйнштейн.
Беккерель, Столетов и Эйнштейн – именно этому «трио» ученых мы обязаны созданием солнечных батарей
Принцип работы
Полупроводник – это такой материал, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо наоборот, их не хватает (p-тип). Соответственно, полупроводниковый фотоэлемент состоит из двух слоев с разной проводимостью. В качестве катода используется n-слой, а в качестве анода – p-слой.
Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Именно лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку (в данном случае аккумулятор) и возвращаясь в n-слой.
Схема работы фотоэлемента
Первым в истории фотоэлектрическим материалом был селен. Именно с его помощью производили фотоэлементы в конце XIX и начале XX веков. Но учитывая крайне малый КПД (менее 1 процента), селену сразу же начали искать замену.
Массовое же производство солнечных батарей стало возможным после того как телекоммуникационная компания Bell Telephone разработала фотоэлемент на основе кремния. Он до сих пор остается самым распространенным материалом в производстве солнечных батарей. Правда, очистка кремния – процесс крайне затратный, а потому мало-помалу пробуются альтернативы: соединения меди, индия, галлия и кадмия.
Селен – исторически первый, а кремний – самый массовый материал в производстве фотоэлементов
Понятное дело, что мощности отдельных фотоэлементов недостаточно, чтобы питать мощные электроприборы. Поэтому их объединяют в электрическую цепь, тем самым формируя солнечную батарею (другое название – солнечная панель).
На каркас солнечной батареи фотоэлементы крепятся таким образом, чтобы их в случае выхода из строя можно было заменять по одному. Для защиты от воздействия внешних факторов всю конструкцию покрывают прочным пластиком или закаленным стеклом.
Мобильный телефон Samsung E1107 оснащен солнечной батареей
Существующие разновидности
Классифицируются солнечные батареи по мощности вырабатываемого электричества, которая зависит от площади панели и ее конструкции. Мощность потока солнечных лучей на экваторе достигает 1 кВт, тогда как в наших краях в облачную погоду она может опускаться ниже 100 Вт. В качестве примера возьмем средний показатель (500 Вт) и в дальнейших расчетах будем отталкиваться от него.
Наручные часы Citizen Eco-Drive с солнечной батареей вместо циферблата
Самым низким коэффициентом фотоэлектрического преобразования обладают аморфные, фотохимические и органические фотоэлементы. У первых двух типов он равен примерно 10 процентам, а у последнего – всего лишь 5 процентам. Это означает, что при мощности солнечного потока в 500 Вт солнечная панель площадью один квадратный метр будет вырабатывать соответственно 50 и 25 Вт электроэнергии.
Монтаж солнечных панелей на крыше жилого дома
В противовес вышеупомянутым типам фотоэлементов выступают солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников. Коэффициент фотоэлектрического преобразования на уровне 20%, а при благоприятных условиях — и 25% для них привычное дело. Как результат, мощность метровой солнечной панели может достигать 125 Вт.
Гоночный электромобиль Honda Dream на солнечных батареях появился еще в 1996 г.
Конкурировать по мощности с кремниевыми солнечными батареями способны разве что решения на основе арсенида галлия. Используя это соединение, инженеры научились создавать многослойные фотоэлементы с КФП свыше 30% (до 150 Вт электричества с квадратного метра).
Портативная солнечная панель Solarland мощностью 130 Вт и стоимостью $860
Если же говорить о площади солнечных батарей, то существуют как миниатюрные «пластинки» мощностью до 10 Вт (для частой транспортировки), так и широченные «листы» на 200 Вт и более (сугубо для стационарного использования).
Беспилотный самолет, разработанный NASA Ames Research Center, способен на солнечной энергии пролететь от восточного побережья США до западного
На работу солнечных батарей может негативно влиять ряд факторов. К примеру, с ростом температуры снижается КФП фотоэлементов. Это при том, что солнечные батареи как раз-то и устанавливают в жарких солнечных странах. Получается своеобразная палка о двух концах.
Солнечную батарею Voltaic можно носить у себя за спиной
А если затемнить часть солнечной панели, то неактивные фотоэлементы не только прекращают вырабатывать электричество, но и становятся дополнительной, зловредной нагрузкой.
«Солнечное дерево – культурный и одновременно научный символ австрийского городка Глайсдорф
Крупнейшие производители
Источник: https://itc.ua/articles/solnechnyie-batarei-kak-eto-rabotaet/
«Важнейшее изобретение человечества»: как устроены солнечные батареи
Солнечные батареи не только обеспечивают доступ к практически неиссякаемому источнику энергии, но и снижают выбросы СО2 в атмосферу, избавляя от необходимости сжигать ископаемое топливо. Popular Mechanics рассказывает, как появились солнечные батареи, как они работаю и какое будущее их ждет.
Первый шаг в долгой истории солнечной энергетики был сделан в 1839 году, когда французский физик Михаил Эдмон Беккерель открыл фотоэлектрический эффект. Более ста лет спустя химик Кельвин Фуллер, физик Джеральд Пирсон и инженер Дэрил Чапин, работавшие в компании Bell Laboratories, построили первый кремниевый фотоэлемент.
Никто из изобретателей не думал об отказе от нефти или защите окружающей среды: Чапин пытался создать источники питания для телефонов, установленных в отдаленной местности, а Пирсон и Фуллер исследовали свойства полупроводников.
Как работают солнечные батареи?
Чтобы понять принцип работы фотоэлементов, необходимо обратиться к строению атома кремния. На его внешней электронной оболочке есть вакантные места для электронов, которые атом пытается заполнить, образуя с другими атомами кристаллическую решетку. Чистый кристаллический кремний не может проводить ток, поэтому в солнечных панелях его смешивают с фосфором, на внешней электронной оболочке которого есть избыточный электрон. Полученный материал известен как кремний n-типа.
Кремний n-типа располагается на внешней поверхности солнечной панели, в внутри его сменяет кремний p-типа. В его состав добавлены такие элементы, как галлий или бор, у которых на внешней электронной оболочке не хватает электрона. Когда фотоны солнечного света возбуждают избыточные электроны в n-кремнии, те стремятся заполнить вакантные места в p-кремнии. Движение заряженных частиц генерирует электричество.
Солнечные батареи сегодня
На протяжении большей части XX века фотоэлементы планировалось использовать для энергообеспечения космических аппаратов, поэтому их старались сделать как можно более легкими. В наши дни солнечные батареи массово используются на Земле, поэтому они должны быть прочными и долговечными. Для этого слой кремния накрывают прозрачным стеклом, пропускающим ультрафиолет.
Другой важнейшей характеристикой солнечных батарей стала их эффективность — то есть количество солнечного света, упавшего на квадратный метр фотопанели и преобразованного в электричество.
Около десяти лет назад КПД фотоэлементов колебался около 13%, однако к 2019 году он возрос до примерно 20%.
Как увеличить предел эффективности кремниевых панелей?
Физическая природа кремния ограничивает теоретически возможную эффективность солнечных панелей значением в 29%. Но есть способы преодолеть это ограничение. Например, недавно исследователи из MIT доказали, что максимальный КПД кремниевых фотоэлементов можно повысить до 35%, дополнив конструкцию тонкими слоями тетрамицена и оксинитрида гафния. Они позволяют одному фотону выбивать сразу два электрона.
Другая возможность — использование новых материалов, например, перовскитов. Всего за несколько лет эффективность перовскитных солнечных элементов выросла с 10% до 20%. К сожалению, вне лаборатории результаты пока не такие впечатляющие, поскольку перовскит быстро теряет свои свойства под воздействием воды и других внешних факторов.
Как интегрировать энергию Солнца в энергосистему?
Главный недостаток Солнца в качестве источника энергии — его непостоянство. Ночью и в пасмурную погоду фотоэлементы становятся бесполезными. Естественный выход — объединение солнечных панелей с батареями для хранения энергии. Кроме того, использование солнечной энергии можно оптимизировать с помощью систем умного дома. Они могут, например, воспользоваться жарким днем, чтобы включить кондиционеры и охладить дом к приходу хозяина.
Солнечная энергия быстро вытесняет традиционные источники из энергосистем целых стран. Например, в Германии в минувшем июне Солнце стало главным источником электричества.
Источник: https://hightech.plus/2019/07/08/vazhneishee-izobretenie-chelovechestva-kak-ustroeni-solnechnie-batarei
Солнечная батарея на балконе, опыт использования
Привет Geektimes. Данная статья является продолжением предыдущей части, про туристическое зарядное устройство «Anker Solar 21Вт».
Идея использования солнечной батареи для зарядки разных гаджетов мне показалась весьма перспективной, но конечно, 21Вт в качестве универсальной зарядки мало — хочется иметь возможность заряда не только в солнечную погоду, а для этого нужен запас по мощности.
Поэтому были куплены полноценные солнечные панели и начаты эксперименты с ними. Что из этого получилось, подробности под катом.
Железо
1. Солнечная панель Тут есть разные варианты, но на балконе основным ограничением является наличие свободного места. Для понимания порядка цен, батарея на 50Вт стоит примерно 5000руб и выглядит так: Размеры панели в мм — 540x620x30, вес 4кг.
Балконы по размеру бывают разные, исходя из габаритов панелей, вполне без проблем можно поместить 2 или 4 штуки, больше уже не влезет. Для теста было куплено 2 панели по 50Вт.
Такая батарея дает около 18В под нагрузкой или 24В без нее, значит при использовании 2х батарей нужно рассчитывать на суммарное напряжение до 50В (к примеру многие dc-dc преобразователи штатно работают до 30В). Можно соединить батареи и параллельно, но тогда потери из-за длины проводов будут чуть выше.
2. Контроллер
Здесь есть 2 варианта:
— Солнечные панели + контроллер + аккумулятор
Это классическая конструкция: контроллер заряжает аккумулятор когда есть солнце, пользователь когда ему надо, эту энергию использует. Преимуществ у данной системы несколько: — энергией можно пользоваться когда угодно, а не только когда светло, — возможность подключения инвертора и получения на выходе 220В, — как бонус, резервный источник в доме на случай отключения электричества.
Недостаток один: использование аккумулятора большой емкости в корне убивает экологичность идеи данного мероприятия. Число циклов заряда/разряда аккумуляторов ограничено, они не любят переразряд, к тому же и аккумуляторы и контроллеры довольно-таки дорогие.
Цена контроллера составляет от 1000р за самую дешевую ШИМ-версию, до 10000-20000р за более дорогую (и эффективную) версию с поддержкой MPPT (что такое MPPT можно почитать здесь).
Цена аккумулятора составляет от 5000р за обычный гелевый аккумулятор на 40-50А*ч, некоторые используют батареи LiFePo4, они разумеется дороже.
— Grid-tie инвертер
Эта технология наиболее перспективна на данный момент. Суть в том, что конвертор преобразует и отдает энергию сразу в домашнюю электросеть. При этом потребляемая от общей сети энергия уменьшается, домовой электросчетчик фиксирует меньшие показания. В идеале, если солнечные панели дают достаточно энергии для всех потребителей, значение на электросчетчике вообще не будет расти. А если потребление квартиры/дома меньше, чем выработка солнечных панелей, то счетчик будет фиксировать «экспорт» энергии, что должно учитываться компанией-поставщиком электричества. В России правда такая схема пока не работает — более того, большинство старых электросчетчиков считают энергию «по модулю», т.е. за отдаваемую энергию еще и придется платить. Вроде в 2017 году вопросы микрогенерации на законном уровне обещали начать решать. Но впрочем для панелей на балконе все это имеет лишь теоретический интерес — их выработка слишком мала. Цена grid-tie инвертора составляет от 100$, в зависимости от мощности. Отдельно стоит отметить микроинветоры — они ставятся прямо на батарею, и отдают сразу сетевое напряжение, однако рекомендуемая мощность панелей составляет не менее 200Вт. Инвертор крепится прямо на задней стенке солнечной панели, это позволяет соединять их так: Но для балкона это разумеется, неактуально.
Тестирование
Первым делом было интересно выяснить, какую реальную мощность можно получить с солнечных панелей. Для этого за 15$ была куплена плата АЦП ADS1115 для Raspberry Pi:
Использовать ее просто, входное напряжение делится делителем и подается на аналоговый вход, на выходе имеем цифровые значения. Исходники для работы с АЦП можно взять здесь.
Также был куплен датчик тока ACS712, датчик напряжения был сделан из кучки резисторов (дома нашлись только одного номинала). В качестве нагрузки была установлена обычная лампочка на 100Вт. Разумеется, от 48 вольт она не горела (лампочка расчитана на 220В), а лишь еле-еле светилась.
Сопротивление спирали составляет 42 Ома, что по напряжению позволяет примерно оценить мощность (хотя у лампы накаливания сопротивление нелинейно, но для грубой прикидки сойдет).
Первая тестовая версия выглядела так: Технофетишистам не смотреть!
Исходник был допилен, чтобы данные и текущее время сохранялись в CSV, также на Raspberry Pi был запущен web-сервер, чтобы скачивать файлы по локальной сети.
Результаты за обычный вполне ясный день с переменной облачностью выглядят так: Видно что пик напряжения приходится на раннее утро, что есть следствие неправильной установки панелей — в идеале они не должны стоять вертикально.
А вот так выглядит «провал» в день, когда набежали тучи, и пошел дождь: Учитывая напряжение в 44В и сопротивление нити накала лампы в 42Ома, можно грубо прикинуть (нелинейность сопротивления лампы игнорируем), что в лучшем случае получаемая мощность P = U*U/R = 46Вт. Увы, КПД 100-ваттной панели при вертикальной установке не очень хорош — солнечные лучи падают на панель не под прямым углом. В худшем случае (пасмурно, дождь) мощность падает даже до 10Вт. Зимой и летом суммарная получаемая энергия также будет отличаться.
Опыт с отдачей энергии напрямую в сеть оказался неудачным: 500-ваттный инвертер от 45 ватт просто не заработал. В принципе это было ожидаемо, так что инвертор оставлен на будущее до переезда на место с балконом побольше.
В итоге, учитывая решение отказаться от буферных аккумуляторов, единственным рабочим вариантом оказалось использование dc-dc конверторов напрямую: к примеру вот такой конвертер может заряжать любые USB-девайсы, на его выходе уже есть и USB-разъем: Есть модели чуть подороже, они имеют больший максимальный ток и большее число USB-разъемов: Есть мысль также найти dc-dc-конвертер для зарядки ноутбука, их выбор на eBay весьма велик.
Заключение
Данная система имеет экспериментальный характер, но в целом можно сказать что оно работает. Как видно по графику, примерно с 7 утра и до 17 вечера отдаваемая панелями мощность более 30Вт, что в принципе не так уж плохо. В совсем пасмурную погоду результаты разумеется хуже. Об экономической целесообразности речи разумеется не идет — при выработке 40Вт*ч по 7 часов, за неделю будет выработано 2КВт*ч.
Окупаемость в ценах своего региона каждый может прикинуть самостоятельно. Вопрос разумеется не в цене, а в получении опыта, что всегда интересно. Но куда девать энергию, вопрос пока открытый. Использовать 40Вт для зарядки USB-устройств это чересчур избыточно. На eBay есть grid tie инверторы на 300Вт с рабочим напряжением 10.5-28В, однако отзывов по ним мало, а тратить 100$ на тест не хочется.
Если подходящее решение так и не найдется, можно считать что одна 50-ваттная панель является оптимумом для балкона — ею можно заряжать разные гаджеты, избыточность в этом случае минимальна. По крайней мере, уже сейчас все домашние цифровые устройства (телефоны, планшет) переведены на «зеленую энергию» без особых хлопот. Есть мысль все-таки рассмотреть использование буферного LiFePo4 аккумулятора — но вопрос выбора и аккумулятора и контроллера пока открыт.
В дополнение: как подсказали в комментариях, можно использовать свинцовый аккумулятор, например автомобильный. Да, это действительно дешевый и работающий вариант, со 100-ваттной панелью будет достаточно примерно такого контроллера, ценой всего 10-20$ на eBay: Фото Гуглить по словам PWM Solar Charger. Но это решение не совсем экологичное и не совсем интересное, поэтому в плане изучения технологий я его не рассматриваю.
А если кому-то надо например, запитать видеокамеру на даче, то наверное вполне вариант.
Продолжение в следующей части. Краткую видео-версию также можно посмотреть в ролике на .
Источник: https://habr.com/ru/post/403523/
Солнечные батареи для яхты
Стоимость электрической энергии на катере или яхте очень высока. Особенно, если во время стоянки владелец заряжает аккумуляторы двигателем, на котором не установлен ни внешний регулятор напряжения ни DC-DС зарядное устройство. В этом случае любое оборудование, вырабатывающее электричество дешевле, чем ДВС становится экономически выгодным и быстро окупается.
Типы солнечных панелей
Солнечные батареи преобразуют в электричество бесплатный свет солнца, а с учетом того, что цена полупроводников, из которых они сделаны, с каждым годом снижается на яхте или катере панели окупаются в течении нескольких месяцев — года. Их экономически выгодно устанавливать на лодку как можно больше. Однако результат разочарует, если не правильно подобрать мощность батарей или смонтировать их не в тех местах.На катерах и яхтах используется три типа солнечных панелей:
В монокристаллических панелях каждая ячейка вырезана из одного кристалла кремния. Хотя некоторые полугибкие модели также используют монокристаллические ячейки, как правило панели этого типа жесткие и не переносят изгибов. Коэффициент преобразования света в электрическую энергию у них достигает 22%, но чаще всего составляет 16 — 18%.
У большинства монокристаллических панелей сплошная жесткая задняя стенка. Недавно появились двухсторонние модели, позволяющие собирать свет обоими сторонами. Это удобно, когда под панелью расположена отражающая поверхность, например, белая верхняя часть кабины.
| Эффективность ячеек, % | 22,2-22,4 |
| Мощность в рабочей точке (Pmpp), Wp | 310 |
| Напряжение холостого хода (Uoc), B | 23,1 |
| Напряжение в рабочей точке (Umpp), B | 18,8 |
| Ток в рабочей точке (Impp), А | 16,46 |
| Ток короткого замыкания, (Isc), A | 17.54 |
| Тип | Монокристаллические.Гибкие. Материал поверхности ETFE или PET |
| Количество ячеек, вес, габаритные размеры | Панели изготавливаются под заказ исходя из требований заказчика и размеров предполагаемого места установки |
Сделанные под ваши требования на заказ высокоэффективные морские солнечные модули зарядят аккумуляторные батареи,и вам не придется заводить для этого двигатель. Гладкие, легкие и гибкие морские солнечные панели предназначены для бесшумной генерации энергии даже в условиях низкой освещенности. Они устойчивы к соленой воде, неблагоприятным погодным условиям и даже к пожару
Получить расчет солнечных панелей для катера или яхты
В поликристаллических солнечных батареях каждая ячейка состоит из нескольких небольших кристаллов. Такие панели менее эффективны, чем монокристаллические, особенно при низких уровнях освещенности, но зато легче и дешевле.
Во время производства аморфных пластин, испаренный кремний осаждается на подложке. Аморфные панели самые дешевые и очень гибкие, однако их эффективность наименьшая.
Каждая кремниевая ячейка, независимо от размера, при попадании на нее прямого солнечного света создает напряжение около 0,6 вольт. Напряжение всей батареи можно приблизительно определить умножив 0,6 на количество ячеек. Например, напряжение солнечной панели, состоящей из 30 ячеек — 18,0 вольт.
Выходной ток ячейки зависит от ее типа, качества и площади занимаемой поверхности. Поэтому чтобы получить одинаковую выходную мощность с помощью аморфных и монокристаллических панелей, аморфными придется занять в два раза большую площадь. Кроме того, мощность аморфных батарей примерно на 10% меньше номинальной в течение одного – двух лет после производства. В дальнейшем она стабилизируется.
Характеристики солнечных батарей
В спецификации на солнечную батарею производитель указывает следующие характеристики:
- Voc — напряжение разомкнутой цепи. Это напряжение отсоединенной от аккумулятора солнечной батареи
- Isc — ток короткого замыкания. Максимальный ток, который выдает панель, если замкнуть между собой ее клеммы. Выходное напряжение батареи в этом случае равно нулю
- Imp — максимальный ток нагрузки
- Vmp — напряжение при максимальной мощности
- Pmax — максимальная мощность солнечной батареи. Это произведение двух предыдущих параметров. Иногда приводят только максимальную мощность и соответствующее напряжение на нагрузке. В этом случае ток нагрузки можно найти, разделив мощность на напряжение.
Ни одна из приведенных характеристик не описывает реальную производительность солнечной батареи – выходной ток при напряжении зарядки аккумулятора
Напряжение панели при максимальной мощности зависит от количества ячеек и их температуры. Оно всегда выше, чем рекомендуемое напряжение зарядки, но при подключении к аккумулятору снижается. Из-за этого даже при стандартных условиях тестирования выходная мощность при напряжении зарядки аккумулятора всегда меньше номинальной на 20-25%.
Солнечные батареи испытывают в стандартных условиях.
С точки зрения владельца катера или яхты наиболее важные из них — это предположение о том, что лучи солнца падают на батарею под углом 90 градусов, а ее температура составляет 25 ° C. Результаты испытаний изображают в виде вольтамперной характеристики. Иногда производители приводят данные для нескольких разных температур.
Максимальная мощность солнечной батареи соответствует изгибу вольтамперной характеристики при 25 ° C.
Два способа подключения солнечных панелей к электрической системе катера или яхты. Слева — распределительная коробка обеспечивает безопасное и надежное электрическое соединение и гарантированно выдерживает атмосферные воздействия. Устанавливается с тыльной стороны панели. Если предполагается поверхностный монтаж, распределительную коробку можно установлена на передней стороне панели.
Справа — два кабеля с силиконовой изоляцией и пластиковый кабельный ввод, расположены сзади панели. Электрическая полярность четко указана цветом изоляции. Альтернатива распределительной коробке.
Напряжение панели при максимальной мощности зависит от количества ячеек и их температуры. Оно всегда выше, чем рекомендуемое напряжение зарядки, но при подключении к аккумулятору снижается.
Из-за этого даже при стандартных условиях тестирования выходная мощность при напряжении зарядки аккумулятора всегда меньше номинальной на 20-25%.
Точно узнать насколько падает мощность, можно если измерить ток, отдаваемый солнечной батареей во время зарядки аккумулятора. Например, 50-ваттная панель с номинальным напряжением 17 вольт обеспечивает ток 2,94 ампера (Вт / вольт = ампер).
По вольтамперной характеристике при температуре 25-градусов находим, что при напряжении 13,0 вольт выходной ток солнечной батареи составляет 3,0 А (Напряжение 13 вольт подходит для зарядки разряженного аккумулятора и аккумулятора с подключенной нагрузкой).
Хотя выходной ток изменился незначительно по сравнению со значением при номинальном напряжении, выходная мощность снизилась до 13,0 вольт × 3,0 ампер = 39 Вт. Это на 22% меньше номинальной мощности.
Существуют и другие потери, которые необходимо учесть перед установкой солнечных батарей на яхту или катер. На суше панели монтируют на опорах, расположенных под углом к горизонту. В этом случае на поверхность попадает максимальное количество лучей солнца.
Но если таким образом установить панели на катере или яхте, после каждого поворота они будут терять солнце. Чтобы избежать этого панели на лодках почти всегда устанавливают в фиксированном месте горизонтально. Однако даже в тропиках солнечный полдень (время, когда солнце находится прямо над головой) продолжается всего несколько часов в день.
В остальное время лучи солнца падают на панель при меньших углах и количество передаваемой ими энергии заметно уменьшается.
Мощность солнечных панелей
Связь между температурой и мощностью для трех солнечных панелей. Кривые представляют максимальную выходную мощность при ярком солнечном свете, а не реалистичный выход в нормальных условиях эксплуатации. При температуре поверхности 50 ° C выход панели с 36 ячейками уменьшается на 15 вольт, а на 30-элементной панели на 11 вольт.
Это слишком мало для эффективной зарядки аккумулятора в жарком климате.
Реальная мощность панели снижается еще больше, если облако заслоняет солнце или на поверхность батареи падает тень от такелажа, парусов или мачты. Даже частичное затенение одной ячейки в цепи соединенных последовательно значительно уменьшает выходной ток.
Резкие тени влияют на выходную мощность сильнее, чем тени с нечеткими краями. Если на ячейках не установлены шунтирующие диоды, то резкая тень на одной ячейке уменьшит выходной ток всей панели пропорционально затененной площади (например, 50% затенения только одной ячейки снизят выход всей панели на 50%). Ячейка, оказавшаяся в тени, потребляет ток от соседних и перегревается.
Шунтирующие диоды уменьшают проблемы от затенения. Они изолируют попавшую в тень ячейку и останавливают развитие «горячих точек». Однако каждая изъятая из общей цепи ячейка уменьшает напряжение всей панели. Поскольку из-за нагрева выходное напряжение панели снижается, то может возникнуть ситуация, когда оно окажется ниже уровня пригодного для зарядки аккумулятора. В этом случае выгода от шунтирующих диодов исчезает.
Резких теней, падающих на поверхность солнечной батареи на яхте или катере необходимо избегать
Даже в солнечном климате, энергия, реально генерируемая панелью в течении дня, редко превышает уровень 4-5 часов работы при максимальной мощности. Часто это значение еще меньше. Расчеты лучше основывать на предположение, что дневная выработка электричества соответствует 3-4 часам работы батареи на номинальной мощности.
Источник: https://fisherninja.ru/knowlege-base/solnechnye-batarei-katera/
Как работают солнечные батареи зимой
Популярность солнечных батарей, которая все больше и больше растет, можно объяснить многими преимуществами данных систем перед другими, традиционными источниками электричества. Но одно из достоинств стоит выделить особенно – это простота обслуживания.
Так, для того чтобы поддерживать работоспособность солнечных панелей не требуется огромный штат персонала, так как сама по себе добыча энергии не требует активной работы со стороны человека или какого-либо сложного оборудования. Это благодаря принципу действия панелей.
Если не углубляться в сложные технические данные, то коротко его можно описать следующим образом. В одной из кремниевых пластин находятся отрицательно заряженные электроны, в другой – так называемые «дыры». Солнечный свет, попадая на поверхность панели, образует дополнительные отрицательные электроны и «дыры».
При этом начинается движение электронов, что в свою очередь вызывает появление электрического тока. По медным жилам образованный ток направляется по месту назначения – прямо к энергопотребителю либо же в аккумуляторную батарею накапливания.
Как видно, для функционирования солнечных панелей необходим свет. Но в таком случае, возникает логичный вопрос: а как работают солнечные батареи зимой? С этим необходимо разобраться более подробно.
Возможные проблемы в зимний период и пути их решения
Первая проблема, которая сразу бросается в глаза – более короткий световой день. Да, солнце светит зимой иногда не менее ярко, чем летом. Однако тот факт, что светит оно меньшее количество времени на протяжении дня, вызывает опасения, что производительность панелей снизится.
В принципе, это опасение справедливо, так как общее снижение КПД солнечных батарей может быть практически в 2 раза. Решение данной проблемы существует, хотя и потребует дополнительного вложения средств.
Это касается приобретения и установки либо еще одной аккумуляторной батареи, которая накапливает электроэнергию, либо же изначально установка более емкого аккумулятора. То есть суть заключается в том, чтобы на протяжении светового дня накопить как можно большее количество энергии. Не менее важное место занимает и правильная установка панелей.
Их необходимо монтировать так, чтобы светоулавливающая поверхность максимально долго находилась под солнцем. В целом можно воспользоваться следующей формулой: широта установки + 150, таким образом, получается оптимальный угол наклона панели.
Второй проблемой является снегопад. Понятно, что солнечные панели зимой довольно часто находятся под слоем снега, соответственно, солнечные лучи меньше попадают на фотоэлементы. Отсюда и снижение производительности. Более того, в большие морозы снег налипает, в результате чего образуется наледь. Это не самым лучшим образом сказывается на устройствах, хотя, в общем, качественная панель спокойно выдерживает морозы до -400С. Но КПД, конечно же, снижается.
Эта проблема тоже решаема. Просто пользователю придется регулярно очищать рабочие поверхности солнечных батарей от снега. Поэтому соблюдение угла наклона здесь сыграет хорошую роль, так как процесс очистки будет проще и удобнее. Главное – чтобы был доступ к панелям, то есть даже если они располагаются на большой высоте, пользователь должен иметь возможность добраться до них. Очистку можно выполнять при помощи швабры со щеткой, у которой длинный ворс.
Существует и еще один способ борьбы со снегом. Он заключается в том, чтобы установить солнечные панели вертикально. Это можно сделать либо с помощью специально сконструированной металлической рамы, либо же просто монтировать панели на стену дома. В то же время, необходимо, чтобы они хорошо и регулярно продувались ветром, который будет сдувать попавший снег. Такой способ называется пассивным методом очистки. Конечно, он не всегда применим, но, тем не менее, эффективен.
Стоит упомянуть и еще об одном способе, который пока не набрал популярности, но используется в некоторых регионах Канады, где, как известно, снежные осадки более продолжительны, ввиду климатических условий. Способ придумала одна канадская компания, используя эффект Вентури и силу ветра.
К конструкции с солнечной батареей подключается устройство, которое усиливает воздушный поток при помощи сужающихся трубок. Таким образом, происходит некое обдувание рабочей поверхности панели.
Правда, опять же, необходимо, чтобы ветер был постоянным, иначе такой способ сразу потеряет всю эффективность.
Положительное влияние снега на работу солнечных панелей
Говоря о негативном влиянии снега на работу солнечных батарей, справедливо было бы указать и преимущества, которые он дает. Первое легко можно понять, если вспомнить, как приходится щуриться в зимние солнечные дни, когда не только само Солнце светит, но и снег на земле отражает свет. Точно так же он отражает и на панели, фотоэлементы которых улавливают свет и получают из него дополнительную энергию. Таким образом, производительность зимой, как ни странно, даже способна увеличиваться.
Второе преимущество состоит в охлаждающем эффекте. Дело в том, что активное движение электронов и продуцирование электрического тока заставляет панели нагреваться, причем, достаточно сильно. Более того, такой нагрев способен вывести из строя всю систему. И в этом случае как раз снег является помощником, так как он охлаждает поверхности солнечных батарей.
При этом вовсе не обязательно, чтобы он скапливался именно на самих панелях, достаточно будет, если вокруг конструкции образуются небольшие сугробы. На производительность батарей они никак не повлияют, а вот охлаждающий эффект создадут. Но и на рабочих поверхностях, даже при регулярной очистке, тоже происходит охлаждение за счет влаги от тающего снега.
Чтобы успешно и полноценно использовать солнечные батареи в зимний период, необходимо позаботиться о вспомогательном оборудовании. К такому относятся более емкие аккумуляторы накопления, а также инверторы, которые можно приобрести непосредственно у производителя Huawei.
Источник: http://huawei.energy/useful-know/kak_rabotayut_solnechnye_batarei_zimoy/
