Солнечная электростанция на балконе. личный опыт

Как работают фотоэлементы солнечной батареи

Еще Беккерель доказал, что энергию солнца можно преобразовать в электричество, освещая специальные полупроводники. Позднее эти полупроводники стали называть фотоэлементами. Фотоэлемент представляет собой два слоя полупроводника имеющих разную проводимость. С обеих сторон к этим полупроводникам припаиваются контакты для подключения в цепь. Слой полупроводника с n проводимостью является катодом, а слой с p проводником анодом.

Проводимость n называют электронной проводимостью, а слой p дырочной проводимостью. За счет передвижения «дырок» в p слое во время освещения, создается ток. Состояние атома потерявшего электрон называется «дырка». Таким образом, электрон перемещается по «дыркам» и создается иллюзия движения «дырок».

В действительности «дырки» не передвигаются. Граница соприкосновения проводников с разной проводимостью называется p-n переходом. Создается аналог диода, который выдает разность потенциалов при его освещении. Когда освещается n проводимость, то электроны, получая дополнительную энергию, начинают проникать сквозь барьер p-n перехода.

Число электронов и «дырок» меняется, что приводит к появлению разности потенциала, и при замыкании цепи появляется ток. Величина разности потенциала зависит от размеров фотоэлемента, силы света, температуры. Основной первого фотоэлемента стал кремний. Однако высокую чистоту кремния получить трудно, стоит это недешево.

Когда освещается n проводимость, то электроны, получая дополнительную энергию, начинают проникать сквозь барьер p-n перехода. Число электронов и «дырок» меняется, что приводит к появлению разности потенциала, и при замыкании цепи появляется ток

Поэтому сейчас ищут замену кремнию. В новых разработках кремний заменен на многослойный полимер с высоким КПД до 30%. Но такие солнечные панели дорогие, и пока отсутствуют на рынке. КПД солнечных батарей можно повысить, если устанавливать их на южной стороне и под углом не меньше 30 градусов.

Рекомендуется, солнечные батареи устанавливать на устройство слежения за движением солнца. Это устройство передвигает панели таким образом, чтобы они получали максимально возможное освещение лучами солнца от восхода до заката. При этом КПД солнечных панелей возрастает достаточно сильно.

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века. Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций. Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.

Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной. Современные устройства напрямую преобразуют солнечные лучи в ток благодаря понятию фотоэлектрический эффект.

Современный принцип работы солнечной батареи был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы солнечной батареи на практике.

Что следует учесть на этапе проектирования?

Перед тем как установить автономную электростанцию, важно выбрать наиболее подходящее место для установки солнечных панелей, их тип и назначение. В соответствии с этими критериями определите параметры солнечных батарей и комплектующего оборудования

Если вы собираетесь использовать домашнюю электростанцию для выработки электроэнергии номиналом в 220 В, то вам понадобятся такие элементы:

• Фотоэлектрический преобразователь – позволяет генерировать электрическую энергию из солнечного излучения посредством химической реакции. Характеризуются мощностью на 1м 2 площади, производительностью и типом. Общее количество выбирается в зависимости от нужд потребителя и планируемых объемов выработки.
• Аккумуляторная батарея – накапливает электрический заряд, получаемый от солнечной батареи для питания приборов в темное время суток. Поэтому емкость выбирается с запасом из расчета, что в пасмурную погоду заряд будет происходить значительно хуже.
• Контроллер заряда – осуществляет перераспределение электроэнергии от солнечных батарей к аккумулятору, а при достижении ним максимума, передает избыток во внешнюю сеть. При отсутствии такой системы, снижает электрическую мощность, поступающую на аккумулятор до минимума.
• Инвертор – предназначен для преобразования постоянного электрического напряжения, поступающего от фотоэлектрического элемента, в переменное, используемое в бытовых сетях. Они же позволяют владельцам солнечных батарей продавать избыток электричества от домашней электростанции.
  Рис. 2. Принцип реализации солнечной электроэнергии
• Соединительные провода – осуществляют передачу электроэнергии по всей электрической сети солнечной установки. В зависимости от места расположения, к ним предъявляются различные требования, к примеру, прокладываемые на улице должны быть устойчивыми к воздействию внешних факторов.

Несмотря на важность каждого элемента домашнего генератора свободной энергии, особое внимание следует уделить выбору фотоэлектрического модуля, так как от этого будет зависеть и продуктивность, и качество работы всей системы

Какие комплектующие нужны и где их купить

Основная деталь – солнечная фотопанель. Обычно кремниевые пластины покупают через интернет с доставкой из Китая или США. Это связано с высокой ценой на комплектующие отечественного производства.

Себестоимость отечественных пластин получается настолько высокой, что выгоднее заказать на Еbay. Что касается брака, то на 100 пластин лишь 2-4 непригодны к использованию. Если заказывать китайские пластины, то риски выше, т.к. качество оставляет желать лучшего. Преимущество – только в цене.

Готовая панель гораздо удобнее в использовании, но и втрое дороже, поэтому лучше все-таки озадачиться поиском комплектующих и собрать устройство своими руками

Остальные комплектующие можно купить в любом магазине электротоваров. Также потребуются оловянный припой, рама, стекло, пленка, лента и карандаш для разметки.

При покупке комплектующих стоит обращать внимание на гарантию производителя. Обычно она составляет 10 лет, в некоторых случаях – до 20

Важно также правильно подобрать аккумулятор. Экономия на нем нередко оборачивается неприятностями: во время зарядки прибора может выделяться водород, что чревато взрывом

Этапы монтажных работ

Итак, перед тем, как самостоятельно устанавливать панели на крыше жилого дома, Вы должны убедиться в следующем:

На основании всех этих моментов нужно первым делом самому правильно выбрать, где лучше установить систему на крыше дома. Сразу же следует отметить, что система должна находиться на южной стороне постройки, так как именно на эту область приходится максимальное количество солнечной энергии в световой день.

После того как Вы определитесь, где именно будут размещены панели (либо коллекторы), необходимо переходить к сборке рамной конструкции и установке ее на кровлю. Обязательно используйте только металлические уголки и профиля. Изготавливать каркас из бруса не рекомендуется, т.к. он быстрее потеряет свои прочностные свойства. Лучше всего использовать квадратный профиль 25*25 мм либо уголок, но на данном этапе все сугубо индивидуально – если Вы решили установить солнечную батарею большой площади, сечение профиля должно быть на порядок больше.

Полный обзор монтажных работ

Установка креплений на крыше

Отдельное внимание нужно уделить углу наклона панелей к плоскости горизонта, а иначе говоря – земной поверхности. Для каждого региона условия немного отличаются, но обычно весной рекомендуется выполнять установку солнечных батарей под углом 45 градусов, а ближе к осени 70-75

Именно поэтому нужно заблаговременно продумать конструкцию рамы, чтобы можно было вручную выбирать, под каким углом установить систему под солнцем

Обычно раму изготавливают в форме треугольной призмы и крепят к крыше с помощью болтов

Именно поэтому нужно заблаговременно продумать конструкцию рамы, чтобы можно было вручную выбирать, под каким углом установить систему под солнцем. Обычно раму изготавливают в форме треугольной призмы и крепят к крыше с помощью болтов.

Сразу же обращаем Ваше внимание на то, что на плоской крыше или на земле не нужно выполнять горизонтальную установку панелей. В зимнее время Вам придется постоянно убирать снег с поверхностью, а иначе система не будет работать

Еще одно не менее важное требование – между крышей и солнечной батареей обязательно должно быть воздушное пространство (актуально в том случае, если Вы решили установить панель без рамы на гибкую либо металлочерепицу)

Еще одно не менее важное требование – между крышей и солнечной батареей обязательно должно быть воздушное пространство (актуально в том случае, если Вы решили установить панель без рамы на гибкую либо металлочерепицу)

Если воздушное пространство будет отсутствовать, ухудшиться отвод тепла, что может в дальнейшем за короткий промежуток времени вывести систему из строя! Исключением являются крыши из шифера либо ондулина, которые благодаря волнистой структуре кровельного материала, самостоятельно обеспечат подход воздуха

Еще одно не менее важное требование – между крышей и солнечной батареей обязательно должно быть воздушное пространство (актуально в том случае, если Вы решили установить панель без рамы на гибкую либо металлочерепицу). Если воздушное пространство будет отсутствовать, ухудшиться отвод тепла, что может в дальнейшем за короткий промежуток времени вывести систему из строя! Исключением являются крыши из шифера либо ондулина, которые благодаря волнистой структуре кровельного материала, самостоятельно обеспечат подход воздуха

Ну и последний важный момент установки – солнечные батареи нужно крепить в горизонтальном положении (длинной стороной вдоль дома)

Если пренебречь данным правилом может произойти неравномерный нагрев верхней и нижней области панели, что заметно снизит эффективность использовать автономной системы электроснабжения либо отопления частного дома

Ну и последний важный момент установки – солнечные батареи нужно крепить в горизонтальном положении (длинной стороной вдоль дома). Если пренебречь данным правилом может произойти неравномерный нагрев верхней и нижней области панели, что заметно снизит эффективность использовать автономной системы электроснабжения либо отопления частного дома.

Порядок монтажа системы электроснабжения участка на мачтах и стене Вы можете на данном видео:

Как правильно установить конструкцию на столбах

Крепление панелей на стене

Вот и все, что хотелось рассказать Вам о том, как установить солнечные батареи для дома своими руками! Надеемся, что предоставленная инструкция с фотоотчетами и видеоуроками была для Вас интересной и полезной!

Также читают:

• Как меньше платить за свет легально
• Как выбрать солнечные батареи для дома
• Как сделать светодиодный прожектор своими руками
• Схемы подключения солнечных батарей

Шаг 2: Выбор аккумуляторов

Все солнечные панели являются источниками постоянного тока. Электроэнергию они генерируют только днем. Если есть желание подключить нагрузку постоянного тока днем, то с этим нет никаких проблем, можно подключиться непосредственно от панелей. Но сделать это – не самое хорошее решение, потому что:

• Большинству приборов необходимо постоянное номинальное напряжение для эффективной работы. Передаваемое солнечными панелями напряжение и ток непостоянны. Они меняются в зависимости от интенсивности солнечного света, пасмурная погода – «не есть хорошо».
• Если вы хотите включить что-то ночью, то это что-то попросту не включится.

Указанная проблема решается использованием аккумуляторов, для накопления энергии в дневное время, и использования её в ночное. Существует много видов аккумуляторов. Аккумуляторы «открытого типа» с жидким электролитом, к которым относятся автомобильные аккумуляторы — предназначены для выдачи высокого тока в течение небольшого промежутка времени. Они не предназначены для глубокого разряда, у них задачи другие. Аккумуляторы для солнечных батарей являются аккумуляторами глубокого цикла, они легко переносят частичные разряды и предназначены для глубокого медленного разряда. Для солнечных электростанций хорошо подходят гелевые и литиевые аккумуляторные батареи (о том какие аккумуляторы лучше для солнечных электростанций мы писали тут).

Примечание: Перед тем как выбирать компоненты, определите, какую систему по напряжению вы хотите иметь: 12/24 или 48В. Чем выше напряжение, тем меньший ток будет в медных проводниках и тем меньше будут потери. Кроме того, чем выше рабочее напряжение, тем меньше потребуется сечение проводников. Чаще всего в качестве домашней электростанции используют системы с рабочим напряжением 12В или 24В. Это связано с тем, что часть домашних приборов можно питать напрямую от вашей электростанции, без двойного преобразования напряжения (вверх-вниз), которое приводит к потере мощности. В этом проекте рассмотрим систему 12В.

Параметры аккумулятора:

• Емкость аккумулятора рассчитывается в ампер-часах (Aч).
• Мощность (Вт)= Напряжение (В) х Ток (А). • Вт*час = Напряжение (В) х Ток (А) х Время (ч) = Вт*ч.
• Напряжение батареи = 12В (для нашей системы).

Емкость аккумулятора (Ач) = Мощность нагрузки (Вт)*Время работы (ч)/напряжение(В) = 250/12 = 20,83Ач.

Нужно понимать, что КПД аккумуляторов не может быть 100%, чаще всего КПД равен 80%. Учитывая это, имеем емкость аккумулятора (Ач) = 20,83/0,8 = 26Ач. Поскольку мы используем преобразователь напряжения, который имеет свой КПД, обычно его также принимают равным 80%, добавим его: 26/0,8 = 32,5Ач. Но и это еще не все — даже не смотря на использование аккумуляторов глубокого цикла, для продолжительного срока службы, их не рекомендуется разряжать до полной разрядки, и по-хорошему нужно оставлять хотя бы 30% заряда — чем больше оставим, тем дольше он прослужит, получается: 32,5*1,3 = 42,25Ач Округляем вверх, для того что бы получить целое число и выбираем аккумуляторы глубокого разряда емкостью от 45 ампер-часов (Ач).

Дополнительные устройства для эксплуатации

Важной особенностью солнечной батареи является сильная зависимость ее выходного напряжения и максимального тока от освещенности. Сделав своими руками батарею с расчетным напряжением в 12В, можно будет обнаружить, что ее реальное напряжение будет колебаться от 9В при слабом и косо падающем свете до 18-19В при ярком прямом освещении

Напрямую подключать солнечную батарею к аккумулятору нельзя – это может привести к перезаряду и выкипанию электролита, если используется свинцово-кислотный аккумулятор. Для герметичных гелевых аккумуляторов перезаряд еще более страшен и приводит к необратимому повреждению.

Во избежание перезаряда аккумуляторных батарей используются специальные контроллеры заряда. Наиболее простые схемы просто отключают аккумулятор по мере набора заряда, а сама зарядка идет лишь тогда, когда напряжение на солнечной батарее выше, чем на аккумуляторе (так называемая схема On-Off). По соображениям безопасности отключение зарядки происходит заведомо раньше полного набора емкости, в среднем на 70 процентах. Более совершенные зарядные устройства на основе ШИМ (широтно-импульсной модуляции, также PWM от Pulse Width Modulation) поддерживают заряд аккумулятора практически на 100%, переходя по мере набора емкости в импульсный режим. Самые сложные и дорогие контроллеры MPPT (Maximum Power Point Tracking, отслеживание точки максимальной мощности) также отслеживают и состояние самой батареи, включая ее температуру, для обеспечения максимального КПД.

Китайские контроллеры заряда производства фирм наподобие EP Solar обойдутся недорого по сравнению с самой солнечной батареей: блок 12В/5А стоит около 1100 р., более мощные и совершенные американские блоки Morningstar имеют цену от 8 тысяч рублей.

Но подобное устройство можно собрать и самостоятельно при наличии соответствующих навыков в радиоэлектронике. Ниже приведена простая схема повышающего контроллера, способного обеспечивать заряд аккумулятора от шестивольтовой солнечной батареи:

Для подстройки максимального напряжения на выходе служит подстроечный резистор R2.

Для солнечных батарей, рассчитанных на 12В, можно использовать следующую схему:

Здесь MainLoad– разъем для подключения аккумулятора, AuxLoad– для дополнительной нагрузки, требующей ограничения напряжения (например, зарядное устройство телефона). Достоинство этой схемы – возможность ее использования с различными типами аккумуляторов, определяемыми положением переключателя:

• 1.Обслуживаемый свинцово-кислотный аккумулятор
• 2.Необслуживаемый аккумулятор
• 3.Батарея литиевых аккумуляторов (3 аккумулятора по 4,1 В)

Как установить солнечные панели самостоятельно:

1. Все работы выполняются в теплую и сухую погоду. Крышу или другую поверхность, на которой будет осуществляться монтаж, нужно очистить от мусора, выровнять (касается установки на участке), обезжирить и в некоторых случаях обработать грунтовкой.
2. При их монтаже невероятно важны правильные азимут и угол наклона. Для северного полушария идеальный азимут 180° на юг. Оптимальный угол наклона для Киева составляет 35-55°. Это отличный вариант для лета, а вот зимой для наибольшей эффективности рекомендуемый наклон – 45-55°. Кстати, на рынке существуют панели с возможностью изменения угла наклона.
3. Важный нюанс – выставлять панели нужно относительно поверхности земли, а не крыши.
4. Коммутирующие провода, перемычки, крепежи, продольные соединители, алюминиевые профили, кронштейны и специальные опоры для установки на землю можно докупить отдельно в зависимости от Ваших предпочтений, целей и бюджета.
5. Начинать монтаж стоит из детального изучения схем размещения, которые необходимо разработать самостоятельно.
6. Создайте разметку для опорных стоек. Они должны находиться параллельно друг другу на расстоянии 1-1,2 м.
7. Затем просверлите отверстия и залейте их солидолом или другой подобной смазкой. Вставьте и вбейте в отверстия анкера или дюбеля (6х65). Анкера крепятся на опорных рейках крыши. Бетонная кровля намного лучше поддается монтажу, нежели металлочерепичная.
8. На кронштейны выкладывается разогретый рубероид, который должен выступать за края панелей как минимум на 5 см. Рубероид обеспечивает устойчивость, прочность и пластичность. Дайте ему немного остыть.
9. Наконец-то на кронштейны крепятся профили горячего цинкования с толщиной покрытия 70-150 мкм. Используйте алюминиевые крепежи. Это отличная защита от коррозии.
10. Далее идет монтаж кабелей. Кабель постоянного тока крепится под металлическую конструкцию. Его задача соединить все панели в системе и подсоединить их к коммутатору и инвертору. Все провода крепятся к тыльной стороне профиля с помощью пластиковых хомутов. Далее кабели постоянного тока выводятся к трансформаторной подстанции.
11. Солнечные панели крепятся на профили с использованием прижима для удержания конструкции. Прижим монтируется на профиль двумя саморезами для кровли на расстоянии 20 мм друг от друга.
12. Трансформаторная подстанция крепится к стене дома с помощью дюбелей. Затем, используя электрокабель на 10 кВт подключитесь к городской линии электропередач.
13. Для наземной установки понадобятся опоры из алюминиевых труб или оцинкованной стали. Они заливаются в бетон или просто вкапываются в землю. На такие опоры устанавливают каркас из натурального дерева и алюминиевых балок. Алюминий страхует природный материал, потому что древесина боится сырости. Учтите, что высота панелей от земли должна быть не меньше 1 м.

Конечно, для создания электростанции в домашних условиях не нужна лицензия. Если есть желание, время и Вы уверены в своих силах, то можете заняться установкой солнечных панелей самостоятельно. Но помните, что при неправильном подсоединении хотя бы одного из кабелей, вся система просто не будет работать, а в некоторых случаях может и сломаться. Если обращаться к профессионалам, то это обойдется недешево, но зато Вы будете спать спокойно.

Солнечные батареи для дома: типичные ошибки новичков

При установке систем альтернативных источников энергии впервые, многие обращаются в компании по установке солнечных батарей. Если Вы новичок в этом вопросе, то прочтите, пожалуйста, статью до конца. И постарайтесь, научиться на чужих ошибках.

Что учесть, обращаясь в компанию по установке солнечных батарей

Ошибка первая: жадность

Самой распространенной ошибкой новичков при установке альтернативного источника энергии является желание заполучить систему определенной мощности. Ну, к примеру: чтобы хватило и на телевизор, и на холодильник и еще много на что. В этом случае, Вы заплатите не менее 150 тысяч рублей только за саму гелиосистему. Не забудьте прибавить оплату за монтаж. А прослужит такая установка не более года.

Оказывается, не стоит жадничать и торопиться. Так как система модульная, то без особых проблем можно добавлять солнечные батареи и аккумуляторы по мере необходимости и по мере роста Ваших потребностей, а не по желанию продавца. Нет никакой нужды одномоментно платить за солнечную систему максимально необходимой мощности.

Целесообразно купить солнечную батарею минимально-требуемой мощности в феврале или ранней весной. Опробовать и проверить систему на деле, набраться опыта по рациональному использованию. А уже осенью добавить необходимое количество модулей, увеличив площадь солнечных батарей (желательно эту возможность заранее предусмотреть!). Причем, выполнить работу по монтажу можно будет и самостоятельно. Тем более, что Вы уже видели как это делается. К слову, в осенне-зимний период возможны существенные скидки. Между прочим, солнечные батареи на 12 вольт легко помещаются на заднем сидении легкового автомобиля.

Ошибка вторая: неправильный выбор рабочего напряжения солнечной батареи

При установке солнечных батарей, следует грамотно подобрать рабочее напряжение и соответствующие аккумуляторы. Так, установив солнечные батареи на 24 или 48 вольт Вы испытаете ряд неудобств:

• необходимость тщательного подбора одинаковых аккумуляторов (поскольку нельзя подключать последовательно АКБ разных производителей, неодинаковой емкости и даты выпуска. То есть придется приобретать аккумуляторы попарно!
• приобретение энергосберегающих светодиодных ламп на 24 вольта, а тем более на 48 вольт затруднительно
• придется отказаться от унифицированных электрических устройств на 12 вольт (а это: сигнализация, насосы, зарядки для телефонов, радиоприемники и т. п. приборы)

Солнечные батареи для дома: что надо знать новичкам?

Ошибка третья: надежды на инверторы

Еще одна распространенная ошибка новичков, устанавливающих солнечные батареи для дома: запитать все через инвертор, то есть одна сеть с напряжением 220 вольт. Но поскольку кпд инверторов, в реальной жизни всего 75-80%, то лучше предусмотреть гибридную проводку: 12В и 220В. Кстати, ее можно запустить в одном кабеле. И теперь, все что может работать от 12В, пусть запитывается от 12В на здоровье (а это: освещение, телевизор, спутник и многое другое). Такое решение сократит потери энергии более чем на 30 %. Тем самым снизит мощность солнечных батарей и емкость АКБ.

Ошибка четвертая: выбор АКБ

Впервые устанавливая солнечные батареи для дома стоит остерегаться, когда Вам «впихивают» всевозможные модели аккумуляторов глубокого разряда. Таких не существует, за исключением щелочных, которые устанавливали раньше на тепловозы и электрокары. Особо следует отметить гелевые аккумуляторы. Мало того, что стоят они недешево, но с учетом следующих факторов, их не следует применять в принципе, а именно:

1. в силу гелевого состояния электролита, такие аккумуляторы плохо вступают в электро-химический процесс
2. при отрицательных температурах окружающего пространства, гель переходит в состояние парафина. Сами посудите, что из этого выйдет в морозную погоду

Ошибка пятая: неверная установка солнечных батарей

Солнечные батареи для дома будут работать эффективно, если грамотно и правильно их установить. Существует ряд нюансов, не соблюдая которые никогда не получится сэкономить на использовании альтернативной энергии:

• несоблюдение азимута
• невыверенный угол наклона модулей
• отсутствие контроля температурного режима

Установка солнечных батарей — реальная возможность сэкономить