Электрификация всей страны, учитывая масштабы РФ, в буквальном смысле сложновыполнима. Тянуть отдельную линию к домику в лесу или в горах, уединенному коттеджу на неосвоенном участке, острову и к другим труднодоступным местам нецелесообразно. Для выработки электричества там, как правило, используют бензиновые или дизельные генераторы. Но это не решает полностью проблему автономности, поскольку в данном случае коттедж зависит от своевременной доставки топлива.
Удивительно, что отечественный рынок солнечной энергетики до сих пор находится в зачаточном состоянии. Во многих густонаселенных странах «солнечным электричеством» пользуются уже очень давно, хотя там централизованная электрификация показывает достаточно высокую рентабельность. Выезжая заграницу, наши соотечественники сразу обращают внимание на различные гелиоустановки, расположенные на крышах домов. Причем для этого не обязательно ехать в Египет или Турцию. Солнечные батареи можно увидеть даже в Швеции или Финляндии, где, казалось бы, и солнце не поднимается высоко.
Следует отметить, что мало-помалу солнечные батареи появляются и на наших крышах. Их используют преимущественно для аварийного электроснабжения, но ничто не мешает создать из них полноценную автономную систему. Еще один фактор, вынуждающий владельцев загородной недвижимости обращаться к солнечной энергетике, – старые электросети, не рассчитанные на большую нагрузку. Не так давно расчетная нагрузка составляла всего 2,5 кВт. Современный коттедж может потреблять на порядок больше. Одна только стиральная машина в режиме нагрева воды потребляет 2,5-3 кВт.
Солнечные батареи теоретически способны компенсировать любую недостающую мощность. Необходимо только установить достаточное количество солнечных панелей и иметь соответствующий банк аккумуляторов. Но чаще всего требуемая компенсация мощности составляет 1,5-3 кВт. Современные системы солнечного электроснабжения управляются компьютером, который составляет графики выработки электроэнергии на основании метеопрогнозов. По этим графикам планируется стирка и прочие энергоемкие мероприятия.
Компоненты автономной систем электроснабжения на солнечных батареях
Одни лишь солнечные панели – это отнюдь не все, что требуется для того, чтобы в розетке появилось 220 В. Панели превращают солнечное излучение в так называемое грязное электричество, которое необходимо преобразовать для получения на выходе тока со стандартными сетевыми параметрами. Для этого требуется еще три звена: контроллер, банк аккумуляторов и инвертор. Начнем с последнего, являющегося важнейшим звеном этой системы.
Инвертор. Данное устройство преобразует постоянный ток в переменный и наоборот. К инвертору могут быть подключены любые генераторы, производящие постоянный ток, посредством контроллера и аккумуляторного блока. Важно заметить, что инвертеры для электросетей конструктивно отличаются от автономных.
Контроллер заряда представляет собой устройство, обеспечивающее коммуникацию солнечных панелей и блока аккумуляторов. Без контроллера панели пришлось бы вручную отключать каждый вечер и в конце каждой зарядки. Использование контроллеров позволяет увеличить эффективность солнечных панелей на 30-50%.
Блок аккумуляторов получают заряд от солнечных панелей и обеспечивают его хранение для дальнейшего круглосуточного использования, а не только в дневное время.
Кроме перечисленных устройств, системы автономного электроснабжения могут включать в себя реле управления внешними устройствами. Эти реле включают и выключают различное оборудование, в т.ч. применяются для автоматического включения генераторов при критическом уровне заряда блока АКБ.
На генераторах в этой статье подробно останавливаться не буду. Отмечу лишь их роль в системе автономного электроснабжения, где основным источником тока являются солнечные панели. Бензиновые или дизельные генераторы используются как вспомогательные. Их можно и не устанавливать, но в таком случае суммарная емкость аккумуляторного блока и площадь панелей должны позволять запасать достаточное количество электричества. В противном случае после израсходования заряда АКБ, электричество в доме пропадет до тех пор, пока заряд не будет восстановлен.
Типы солнечных панелей
Солнечные батареи (панели) различаются по принципу, производительности и долговечности. Дешевле всего стоят китайские панели нижнего ценового сегмента, КПД которых не превышает 5%. Через 3-4 года эксплуатации они становятся неэффективными или выходят из строя. У качественных батарей КПД доходит до 15%, а срок их службы – не менее 25 лет. У солнечных панелей топовых производителей, таких как Panasonic, Sharp, Samsung, Kyocera, КПД может достигать 18%. При этом срок службы исчисляется десятилетиями. Стоят они на порядок дороже простых. Но с каждым годом эффективность преобразования солнечного света в электричество увеличивается, а стоимость панелей падает. Так, например, в прошлом (2014) году компания Panasonic разработала инновационные панели HIT из монокристаллического кремния, КПД которых достигает уже 25%, а в недалеком будущем анонсирована панель с 30%-ным КПД. Это означает, что при том же уровне производительности, площадь панели уменьшится, как минимум, вдвое.
Активным веществом солнечных панелей является кремний, который по виду структуры бывает монокристаллическим, поликристаллическим и аморфным.
Монокристаллические солнечные панели считаются самыми эффективными. Батареи, собранные из монокристаллических элементов, обладают КПД свыше 15%. Они служат не менее 50 лет. Недостаток у них только один – высокая цена, обусловленная технологическими сложностями производства.
Поликристаллические солнечные панели производятся из осколков монокристаллов. КПД у них несколько ниже – 12% для системы. Срок службы таких изделий в среднем составляет 25 лет. Они дешевле монокристаллических панелей и на сегодняшний день считаются оптимальными для использования в системах автономного электроснабжения.
Аморфный кремний по КПД сопоставим с поликристаллами, но срок службы панелей на его основе не превышает 5-10 лет. В последние годы появились более эффективные панели из аморфного кремния. Они позволяют собрать относительно недорогую систему, а по истечению срока эксплуатации их можно будет заменить на панели с более высоким КПД, которые к тому времени обязательно появятся.
По эффективности работы в разных погодных условиях типы солнечных панелей тоже отличаются. При ярком солнце и ясном небе хорошо работают поли- и монокристаллические батареи. Но в пасмурную погоду при равной установленной мощности лучше функционируют панели на основе аморфного кремния. Соответственно такие панели менее зависимы от точности угла наклона и ориентации по азимуту. Они работают даже при косых лучах солнца. Для кристаллических батарей угол атаки лучей важен. Максимальная эффективность требует, чтобы лучи падали под прямым углом. Тем не менее, объективно «аморфные» панели менее выгодны, хотя и дешевы. Причина – низкий КПД и ограниченный срок эксплуатации.
Место расположения солнечных панелей
Удобнее всего установить солнечные батареи на крыше. Для этого идеально подходит южный скат. Максимальной эффективности можно добиться, если угол наклона батарей совпадает с географической широтой. В идеале аналогичный наклон должен иметь скат крыши, на который монтируются панели. Монтаж панелей в плоскость ската имеет массу преимуществ: минимальные ветровые нагрузки, минимальное влияние на архитектуру, удобство обслуживания.
Если у крыши дома нет южного ската, то для установки панелей следует выбирать юго-восточное или восточное направление. Западное направление является наименее приоритетным, а северное – вообще не рассматривается. Неидеальные направления (т.е. не на юг) потребуют установки панелей большей площади.
Как уже отмечалось, угол установки солнечных батарей зависит от географической широты. Если на экваторе их можно устанавливать горизонтально, то на 55-60-ых широтах допускается даже вертикальная установка. Местом установки может быть стена дома или отдельные стенды.
Стенды с солнечными панелями бывают статическими и поворотными. Фабричный поворотный стенд обходится порядка 50-70 тыс. рублей. Если установить панели на такой стенд, то их отдача увеличивается в 1,6 раз. Сэкономить можно, соответственно уменьшив их площадь.
В указанных географических широтах и даже южнее солнечные батареи при круглогодичном использовании рекомендуют устанавливать вертикально. Зимой солнце не поднимается высоко, и именно вертикальное положение обеспечит оптимальный угол атаки лучей. Вертикальное положение к тому же позволяет решить проблему затенения батарей снегом. Если угол их наклона меньше 40°, то зимой придется часто вылезать на крышу для уборки снега с панелей.
На плоских крышах необходимый угол наклона солнечных батарей обеспечивает специальное основание-ферма. При желании можно сделать угол регулируемым. Летом панели опускают до угла, близкой к географической широте, а зимой устанавливают практически вертикально.
Автор текста: М. Тамилин
