Альтернативная энергетика: солнечные батареи и ветроустановки

Еще каких-то пять лет назад специалисты в области альтернативных энергосистем не видели четких перспектив гелиоэлектрического оборудования для широкого потребителя. Но сегодня разработчики добились ощутимых успехов в этой области, а их приборы пользуются все большим спросом.

О солнечных батареях мы слышим давно, однако не каждый может позволить себе даже портативное зарядное устройство для ноутбука, которое преобразует солнечную энергию в электрическую. А что же говорить о фотоэлектрических панелях (ФЭП) для коттеджа, которые можно встретить разве что на крышах немецких пассивных домов? Тем не менее, в Германии покупают комплекты ФЭП, и это невзирая на немецкую расчетливость и бережливость. На самом деле загадки в этом нет – все дело в государственных дотациях.

Закон о поддержке развития экологической энергетики в Германии приняли еще в 2000 году. В результате правительство обязало муниципалитеты объединить все ФЭП в общую сеть, и закупать их электроэнергию по повышенным ценам. На практике это выглядит следующим образом: хозяин устанавливает на крыше своего дома солнечные батареи, которые не заряжают домашние аккумуляторы, а питают общую сеть. Таким образом, когда дома никого нет или электроэнергия просто не используется, то ФЭП пополняет затраты общей сети. А когда хозяева приходят домой, то ими из этой же сети потребляется необходимое количество электроэнергии. При этом государство позволяет получить из общественной сети на 20% больше энергии, чем туда было поставлено. Иными словами, оно закупает у частников «солнечное» электричество по ценам, которые на 20% выше, чем цена «обычного» электричества. Закон гарантирует немцам такие финансовые условия на протяжении 20 лет со дня установки фотоэлектрических панелей. Оборудование при данных финансовых условиях окупается в течение 8-10 лет.

В России о солнечных батареях на государственном уровне заговорили в 2007 году. Однако конкретные механизмы осуществления программы не разработаны до сих пор. Именно поэтому ФЭП и прочие альтернативные источники энергии у нас не так популярны. Тем не менее, хотим мы того или нет, но солнечным батареям быть – это вопрос лишь времени.

Солнечные батареи

В основе фотоэлектрических панелей находятся кремниевые пластины. Принцип преобразования солнечной энергии в электрическую заключается в использовании двух зон с разной проводимостью. Фотоны (частицы света) выбивают электроны со своих мест, и те вынуждены перетечь из одной зоны в другую. Так между двумя слоями возникает электрический ток, который по металлической контактной сетке поступает в наружную электрическую цепь.

В зависимости от примененного материала солнечные батареи различаются на кристаллические и тонкопленочные. Первые в свою очередь подразделяются на поли- и монокристаллические. Тонкопленочные батареи изготавливаются из аморфного кремния или теллурида кадмия.

Поликристаллические солнечные панели более чувствительны, или другими словами – менее требовательны к освещенности по сравнению с монокристаллическим. Но работа того или иного вида ФЭП в большей степени зависит не от типа панелей, сколько от качества исполнения используемых элементов. У поликристаллических панелей КПД порядка 13-15%. Они считаются наиболее оптимальными по соотношению цена/качество.

Солнечные батареи из монокристаллического кремния обладают КПД на уровне 16-18%, но они дороже в производстве, а значит цена их энергии выше. В то же времени монокристаллические панели служат дольше, чем поликристаллические.

Тонкопленочные солнечные батареи известны относительно давно, но в 2005-2009 году сама технология шагнула далеко вперед. В частном домостроении из тонкопленочных ФЭП наиболее востребованы батареи из аморфного кремния. Они обладают невысоким КПД (всего 6-8%), но зато 1 кВт энергии у них стоит дешевле всех других типов солнечных панелей. Кроме того, тонкопленочные аморфнокремниевые батареи в пасмурную погоду снижают выработку электричества лишь на 10-15%. Однако при равном количестве вырабатываемой электроэнергии тонкопленочные солнечные батареи должны иметь площадь в 2-2,5 раза большую, чем батареи на поли- и монокристаллах. Впрочем, если найти им место на крыше, то данный недостаток превращается в преимущество – дополнительный слой над кровлей. Интересно, что среди тонкопленочных солнечных батарей есть такие, которые имеют прозрачность на уровне 10-25%. Им можно найти место не только на крыше, но и в архитектуре южного фасада, на навесах террас и т.д.

Средняя стоимость фотоэлектрических панелей составляет 80-130 тыс. рублей за 1 кВт мощности установки. Относительно количества получаемого «солнечного» электричества, а также сезонности процесса можно сказать следующее. В летние месяцы в средней полосе России на 1 м² попадает до 5 кВт•ч днем. В электрическую энергию может быть преобразовано до 15% этого количества. Зимой световой день короче, а солнце не поднимается высоко, поэтому поток солнечной энергии сокращается в 5-8 раз.

Список некоторых производителей фотоэлектрических панелей: VIESSMAN, VIALLANT, SHÜCO, «Солнечный ветер», РЗМКП, Соларинтех, «Телеком-СТВ».

Кроме самих солнечных панелей для работы солнечно-энергетической установки потребуется аккумуляторный блок, контроллер заряда и инвертор. Сами панели поставляют т.н. «грязное» электричество, которое нужно накопить и привести к потребительским параметрам. Функцию накопителя выполняют аккумуляторы, а контроллер заряда не допустит их перезарядки или глубокого разряда. Инвертор преобразует постоянный ток аккумуляторов в переменный ток с напряжением 220 В.

Использование фотоэлектрических панелей

Существуют три возможных варианта использования ФЭП:

•  подключение к общей централизованной сети (как это делают в Германии); 
•  полностью автономная система с аккумуляторами; 
•  как резервное и вспомогательное оборудование электроснабжения. 

Поскольку в России пока невозможно продать «солнечную» электроэнергию государству, то рассматривать можно только последних два варианта. При необходимости получить полную автономию потребуется мощная и соответственно дорогая установка. Этот вариант интересует, прежде всего, тех, кто строит дом вдали от цивилизации, например, в лесу или на берегу моря, где отсутствует централизованное электричество. Если же установка планируется как источник аварийного или резервного электропитания, то она должна покрыть нужды основных потребителей – свет, телевизор, водяной насос.

Другой способ получения энергии солнца предполагает использование гелиоколлекторов. Данное оборудование подключенное к контуру отопления и ГВС позволяет уменьшить потребление энергоносителей, а значит и снижает необходимость в них. Гелиоколлекторы собирают тепловую составляющую солнечной радиации, и используют ее без какого-либо преобразования. В этой статье мы не будем подробно останавливаться на гелиоколлекторах. О них подробно рассказано в этом материале.

Ветроустановки

В рамках одной статьи невозможно рассказать обо всех видах ветроустановок, однако и не упомянуть их нельзя. В автономных системах электроснабжения ветроустановки очень часто дополняют фотоэлектрические панели и наоборот. Есть два основных вида ветроэлектрических установок (ВЭУ) – с вертикальным и горизонтальным расположением оси. Последний вид обладает наибольшим КПД, если используется трехлопастной пропеллер.

Принцип работы ветроустановок предельно прост. Ветер заставляет вращаться пропеллер, который передает крутящий момент ротору генератора. На выходе мы имеем некоторое количества электричества, которое можно накапливать в аккумуляторах. Дальше все как в случае с солнечными панелями – инвертор преобразует постоянный ток в переменный однофазный ток с потребительскими параметрами 220 В/50 Гц.

Известно, что себестоимость электричества ВЭУ ниже, чем у ФЭП. Однако чтобы выйти на номинальную мощность, ветроустановке потребуется ветер скоростью <10 м/с, а, например, среднегодовая скорость ветра в Московской области только 3 м/с. Данный момент стоит взять на заметку тем, кто рассчитывает получать от ветроустановок заявленное производителями количество электроэнергии. Специалисты считают, что ветроустановки целесообразны в приморских и прочих регионах, где присутствуют постоянные ветры, а их скорость позволяет выходить хотя бы на 70% от номинала ВЭУ.

В средней полосе России ветроустановки самостоятельно себя вряд ли оправдают. А вот использовать их как подспорье для ФЭП вполне имеет смысл. Ведь, когда солнце заходит за тучи, то обычно усиливается и ветер. Кроме того, небольшая ВЭУ станет частично компенсировать выработку электричества зимой, при низкой освещенности и более сильном ветре по сравнению с летним периодом.