Альтернативная энергетика. альт энергетика. 1 Виды альтернативной энергетики
 Скачать 423.03 Kb.
|
|
Содержание
ВведениеАльтернативная энергетика — энергетика, основанная на использовании возобновляемых источников энергии (ВИЭ) — энергии ветра, солнечного излучения, приливов и тепла Земли. Альтернативна энергетике, основанной на сжигании ископаемого топлива, в первую очередь, органического происхождения. Поскольку ВИЭ не только возобновляемы, но также экологичны и безопасны, некоторые развитые страны мира взяли курс на ускоренное развитие альтернативной энергетики. Особенно далеко в этом направлении продвинулись Дания, Германия и некоторые другие европейские страны, в которых альтернативная энергетика составляет значительную долю в энергосистеме страны. Не все альтернативные источники энергии одинаково доступны и выгодны. Энергия приливов и геотермальная энергия жёстко локализованы и ограничены, поэтому реальную экономически реализуемую альтернативу сжиганию топлива сегодня могут составить только ветер и солнечная радиация. Биотопливо, например этанол из сахарного тростника, может иметь некоторое значение для обеспечения транспорта при высоких ценах на нефть, но не для энергетики в целом. Следует, впрочем, отметить, что для основной части территории России ветровая и солнечная энергетика также являются достаточно жёстко локализованными и ограниченными. Традиционная гидроэнергетика (гидроэлектростанции на реках) также относится к ВИЭ, но в силу своей масштабности и традиционности обычно оставляется за скобками, когда речь идёт об альтернативных источниках энергии. Если же применять термин возобновляемая энергетика, то о ГЭС забывать нельзя. И при таком подходе оказывается, что Россия является одним из мировых лидеров в области возобновляемой энергетики, занимая пятое место в мире по генерации энергии гидроэлектростанциями (после КНР, Канады, Бразилии и США, 2014). 1 Виды альтернативной энергетикиК видам альтернативной энергетики относятся: солнечная энергетика, ветроэнергетика, биомассовая энергетика, волновая энергетика, градиент-температурная энергетика, эффект запоминания формы, приливная энергетика, геотермальная энергия. Солнечная энергетика – преобразование солнечной энергии в электроэнергию фотоэлектрическим и термодинамическим методами. Для фотоэлектрического метода используются фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) с непосредственным преобразованием энергии световых квантов (фотонов) в электроэнергию. Термодинамические установки, преобразующие энергию солнца вначале в тепло, а затем в механическую и далее в электрическую энергию, содержат "солнечный котел", турбину и генератор. Однако солнечное излучение, падающее на Землю, обладает рядом характерных особенностей: низкой плотностью потока энергии, суточной и сезонной цикличностью, зависимостью от погодных условий. Поэтому изменения тепловых режимов могут вносить серьезные ограничения в работу системы. Подобная система должна иметь аккумулирующее устройство для исключения случайных колебаний режимов эксплуатации или обеспечения необходимого изменения производства энергии во времени. При проектировании солнечных энергетических станций необходимо правильно оценивать метеорологические факторы. Геотермальная энергетика – способ получения электроэнергии путем преобразования внутреннего тепла Земли (энергии горячих пароводяных источников) в электрическую энергию. Этот способ получения электроэнергии основан на факте, что температура пород с глубиной растет, и на уровне 2–3 км от поверхности Земли превышает 100°С. Существует несколько схем получения электроэнергии на геотермальной электростанции. Прямая схема: природный пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами. Непрямая схема: пар предварительно (до того как попадает в турбины) очищают от газов, вызывающих разрушение труб. Смешанная схема: неочищенный пар поступает в турбины, а затем из воды, образовавшийся в результате конденсации, удаляют не растворившиеся в ней газы. Стоимость "топлива" такой электростанции определяется затратами на продуктивные скважины и систему сбора пара и является относительно невысокой. Стоимость самой электростанции при этом невелика, так как она не имеет топки, котельной установки и дымовой трубы. К недостаткам геотермальных электроустановок относится возможность локального оседания грунтов и пробуждения сейсмической активности. А выходящие из-под земли газы могут содержать отравляющие вещества. Кроме того, для постройки геотермальной электростанции необходимы определенные геологические условия. Ветроэнергетика – это отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра (кинетической энергии воздушных масс в атмосфере). Ветряная электростанция – установка, преобразующая кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. Состоит она из ветродвигателя, генератора электрического тока, автоматического устройства управления работой ветродвигателя и генератора, сооружений для их установки и обслуживания. Для получения энергии ветра применяют разные конструкции: многолопастные «ромашки»; винты вроде самолетных пропеллеров; вертикальные роторы и др. Производство ветряных электростанций очень дешево, но их мощность мала, и их работа зависит от погоды. К тому же они очень шумны, поэтому крупные ветряные электростанции даже приходится на ночь отключать. Помимо этого, ветряные электростанции создают помехи для воздушного сообщения, и даже для радиоволн. Применение ветряных электростанций вызывает локальное ослабление силы воздушных потоков, мешающее проветриванию промышленных районов и даже влияющее на климат. Наконец, для использования ветряных электростанций необходимы огромные площади, много больше, чем для других типов электрогенераторов. Волновая энергетика – способ получения электрической энергии путем преобразования потенциальной энергии волн в кинетическую энергию пульсаций и оформлении пульсаций в однонаправленное усилие, вращающее вал электрогенератора. По сравнению с ветровой и солнечной энергией энергия волн обладает гораздо большей удельной мощностью. Так, средняя мощность волнения морей и океанов, как правило, превышает 15 кВт/м. При высоте волн в 2 м мощность достигает 80 кВт/м. То есть, при освоении поверхности океанов не может быть нехватки энергии. В механическую и электрическую энергию можно использовать только часть мощности волнения, но для воды коэффициент преобразования выше, чем для воздуха – до 85 процентов. Приливная энергетика, как и прочие виды альтернативной энергетики, является возобновляемым источником энергии. Для выработки электроэнергии электростанции такого типа используют энергию прилива. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены гидротурбины, которые вращают генератор. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит. Считается экономически целесообразным строительство приливных электростанций в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность приливной электростанции зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины. Недостаток приливных электростанции в том, что они строятся только на берегу морей и океанов, к тому же они развивают не очень большую мощность, да и приливы бывают всего лишь два раза в сутки. И даже они экологически не безопасны. Они нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды и тем самым – условия жизни морской флоры и фауны. Влияют они и на климат, поскольку меняют энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения. Градиент-температурная энергетика. Этот способ добычи энергии основан на разности температур. Он не слишком широко распространен. С его помощью можно вырабатывать достаточно большое количество энергии при умеренной себестоимости производства электроэнергии. Большинство градиент-температурных электростанций расположено на морском побережье и используют для работы морскую воду. Мировой океан поглощает почти 70% солнечной энергии, падающей на Землю. Перепад температур между холодными водами на глубине в несколько сотен метров и теплыми водами на поверхности океана представляет собой огромный источник энергии, оцениваемый в 20-40 тысяч ТВт, из которых практически может быть использовано лишь 4 ТВт. Вместе с тем, морские теплостанции, построенные на перепаде температур морской воды, способствуют выделению большого количества углекислоты, нагреву и снижению давления глубинных вод и остыванию поверхностных. А процессы эти не могут не сказаться на климате, флоре и фауне региона. Биомассовая энергетика. При гниении биомассы (навоз, умершие организмы, растения) выделяется биогаз с высоким содержанием метана, который и используется для обогрева, выработки электроэнергии и пр. Существуют предприятия (свинарники и коровники и др.), которые сами обеспечивают себя электроэнергией и теплом за счет того, что имеют несколько больших "чанов", куда сбрасывают большие массы навоза от животных. В этих герметичных баках навоз гниет, а выделившийся газ идет на нужды фермы. Еще одним преимуществом этого вида энергетики является то, что в результате использования влажного навоза для получения энергии, от навоза остается сухой остаток, являющийся прекрасным удобрением для полей. Также в качестве биотоплива могут быть использованы быстрорастущие водоросли и некоторые виды органических отходов (стебли кукурузы, тростника и пр.). Эффект запоминания формы – физическое явление, впервые обнаруженное советскими учеными Курдюмовым и Хондросом в 1949 году. Эффект запоминания формы наблюдается в особых сплавах и заключается в том, что детали из них восстанавливают после деформации свою начальную форму при тепловом воздействии. При восстановлении первоначальной формы может совершаться работа, значительно превосходящая ту, которая была затрачена на деформацию в холодном состоянии. Основным недостатком эффекта восстановления формы является низкий КПД – всего 5-6 процентов. 2 Солнечная энергияВсевозможные гелиоустановки используют солнечное излучение как альтернативный источник энергии. Излучение Солнца можно использовать как для нужд теплоснабжения, так и для получения электричества (используя фотоэлектрические элементы). К преимуществам солнечной энергии можно отнести возобновляемость данного источника энергии, бесшумность, отсутствие вредных выбросов в атмосферу при переработке солнечного излучения в другие виды энергии. Недостатками солнечной энергии являются зависимость интенсивности солнечного излучения от суточного и сезонного ритма, а также, необходимость больших площадей для строительства солнечных электростанций. Также серьёзной экологической проблемой является использование при изготовлении фотоэлектрических элементов для гелиосистем ядовитых и токсичных веществ, что создаёт проблему их утилизации. В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свойнезависимый источник электроэнергии на солнечных батареях (в научной литературе они называются фотоэлектрическими панелями). Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи – это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз, и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании. В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: непосредственно, солнечной батареи (генератора постоянного тока), аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный. Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую. Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей. Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые – 15%. Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею. Э.д.с. (электродвижущая сила) отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока. Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую-либо нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки. Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением: Pн = Iн ·Uн, (1) где, Uн – напряжение на зажимах батареи. Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему коэффициенту полезного действия (кпд) преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности. Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток. Для того, чтобы увеличить и ток, и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит к выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи.  Рисунок 1 – Солнечные панели Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока, отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а э.д.с. - последовательно включенных солнечных элементов. Так комбинируя типы соединения собирают батарею с требуемыми параметрами. Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает. Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи. При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов, они шунтируются и ток через них не идет. Диоды должны быть низкоомными, чтобы уменьшить на них падение напряжения. Для этих целей в последнее время используют диоды Шоттки. Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора. Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение, подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока. Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов. При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается, и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда. Это процесс контролируется специальным контроллером. При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда. При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.  Рисунок 2 – Схема подключения оборудования солнечных батарей Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов – гелевых (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовых батарей, которые сделаны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей – 10 - 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается! Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность. Для того, чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечных батарей можно использовать специальные устройства –инверторы. Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.   Рисунок 3 – Светодиодные лампы для дома Выбрать светодиодные лампы не очень сложно – для этого необходимо обратить внимание исключительно на три момента. 1. Мощность и напряжение, на которое они рассчитаны. Подбирать лампу нужно исходя из определенных соотношений с уже установленными, или если недостаточно света, то приобретать лампу с большим энергопотреблением. О рабочем напряжении светодиодной лампы нужно знать, что существуют лампы, работающие от 12V и питающиеся напряжением 220V. Для подключения первых понадобится специальный понижающий трансформатор – их используют в основном для безопасного освещения помещений с повышенной влажностью (например, в ванных комнатах). 2. Тип цоколя. Основные лампы, применяемые в лампах для дома или квартиры. Е27 – Это самый привычный для всех тип цоколя. Лампа, оснащенная таким цоколем, просто вкручивается в стандартный патрон. Е14 – Его в народе называют маленьким цоколем. Он тоже вкручивается в патрон, но имеет меньший диаметр. GU10 – В основном таким цоколем оборудуют светодиодные лампы для точечных светильников. Он представляет собой два штырька с расширениями на конце. Устанавливается такая лампа с поворотом, что обеспечивает надежное ее крепление в цоколе. T8 – Такой тип цоколя устанавливается на лампы, призванные заменить обычные трубчатые люминесцентные осветительные приборы. Лампы этого класса могут иметь длину 0,6 и 1,2м. GU5.3 – В некоторым роде этот тип цоколя можно сравнить с GU10 – различие заключается лишь в толщине штырьков. Устанавливается такая лампа без поворота. В большинстве случаев рабочее напряжение этих ламп составляет 12V. G9 – Этот цоколь представляет собой два изогнутых в дугу штырька – они призваны заменить одиночные галогенные лампочки. Основная область применения таких светодиодных ламп – это декоративные точечные светильники. Как правило, выбор лампы с тем или иным цоколем обуславливается видом осветительного прибора, в который будет производиться установка лампы. 3. Гарантия производителя. Ни для кого не секрет, что качество и долговечность работы любого изделия целиком и полностью зависит от производителя, а вернее от его отношения к своей продукции. Именно по этой причине на данный фактор нельзя не обращать внимания при выборе светодиодных лам для дома. Стоят такие лампы дорого – если сравнивать с энергосберегающими, то их цена может превышать в два, а то и в три раза, поэтому отдавать предпочтение нужно тем лампам, на которые дается более длительный срок гарантии. 2.1 Кремниевые солнечные батареиТакой тип солнечных панелей отличается в первую очередь своим материалом, который, как можно догадаться из названия, представлен кремнием. Сегодня это самые популярные батареи на рынке. Это связано с тем, что кремний сравнительно легкодоступный материал, он недорогой и при этом обладает хорошими показателями производительности, по сравнению с конкурентными видами солнечных модулей. Производят их не только из кремния, но и в том числе из моно, поликристаллов,а также аморфного кремния. Монокристаллические солнечные батареи. Для производства солнечных батарей монокристаллического типа используют очищенный, самый чистый кремний. Такой вид солнечной панели выглядит как силиконовые соты, или ячейки, которые соединены в одну структуру. После того, как очищенный монокристалл затвердевает, его разделяют на супер тонкие пластины, толщиной до 300 мкм. Такие готовые пластины соединены тонкой сеткой из электродов. В сравнении с аморфными батареями, такие стоят дороже, ведь технология их производства в разы сложнее. При этом такие батареи стоит выбрать хотя бы за их высокий коэффициент полезного действия(КПД). На уровне 20%. Да, для солнечных батарей это хороший показатель.  Рисунок 4 – Кремниевая солнечная панель 2.2 Поликристаллические солнечные панелиДля того чтобы получить поликристаллы, кремниевую субстанцию медленно охлаждают. Такой подход к технологии производства значительно дешевле чем в предыдущем типе панелей, поэтому и стоит этот вид дешевле. При этом для изготовления требуется меньше энергии, а это ещё раз благотворно действует на цену. Поэтому у таких батарей КПД ниже — до 18%. Связано такое падение коэффициента с образованиями внутри поликристалла, которые снижают эффективность. Различия между первым и вторым типом батарей представлены в таблице 1 . Таблица 1 - Сравнительная таблица монокристаллических и поликристаллических солнечных панелей
 Рисунок 5 - Поликристаллическая солнечная панель Монокристаллические батареи лучше поликристаллических, так как намного эффективнее и имеют ряд положительных моментов: Монобатареи можно крепить на неровную поверхность, они гибкие и при волновом размещении не портятся и не теряют своих свойств. Гибкие солнечные батареи превзошли поликристаллические и по эффективности работы в непогоду, монокристаллические модели могут работать и в тени. Для зимы также лучше подойдут монокристаллические панели, они могут выдержать минусовую температуру. 2.3 Аморфные солнечные панели Данный вид солнечных батарей можно отнести как к кремниевым (потому что материал изготовления — кремний) так и к плёночным, ведь изготовлены они по принципу производства плёночных батарей. Но всё же отличия есть. Здесь используются не кристаллы кремния, а так называемый силан (кремневодород). Его наносят на подложку, внутри батарей. КПД у такого вида солнечных батарей намного ниже — около 5%. Но всё не так плохо! Есть и преимущества, среди которых можно назвать: намного лучшее поглощение (в 20 раз лучше), лучше работает при отсутствии прямого солнца, когда пасмурно, эластичность панелей.  Рисунок 6 – Аморфная солнечная панель Также бывают сочетания моно и поликристаллических панелей с аморфными. Такое сочетание позволяет соединить преимущества двух различных типов. Например, батареи лучше работают, когда солнца недостаточно для обычных кристаллических батарей. Если проводить деление в зависимости от используемого материала, то аморфные батареи относятся к кремниевым, а если в зависимости от технологии производства – к пленочным. В случае изготовления аморфных панелей, используется не кристаллический кремний, а силан или кремневодород, который тонким слоем наносится на материал подложки. КПД таких батарей составляет всего 5-6%, у них очень низкий показатель эффективности, но, несмотря на эти недостатки, они имеют и ряд достоинств: показатель оптического поглощения в 20 раз выше, чем у поли и монокристаллов; толщина элементов меньше 1 мкм; в сравнении с поли- и монокристаллами имеет более высокую производительность при пасмурной погоде; повышенная гибкость. 2.4 Плёночные солнечные батареи Плёночные панели — это следующий шаг развития источников питания на солнечной энергии. Шаг, который продиктован в первую очередь необходимостью снижения цен на производство батарей и стремлением к повышению энергоэффективности. Плёночные батареи на основе теллурида кадмия. Кадмий — это материал, который обладает высоким уровнем светопоглощения, открытый как материал для солнечных батарей в 70-х годах. На сегодняшний день, этот материал применяется уже не только в космосе, на околоземной орбите, но и активно используется в качестве материала для солнечных панелей обычного, домашнего пользования. Самой главной проблемой в использовании такого материала является его ядовитость. Однако исследования говорят о том, что уровень кадмия. который уходит в атмосферу, слишком мал, чтобы наносить вред здоровью человека. Также, несмотря на низкий КПД в районе 10%, стоит единица мощности в таких батареях меньше, чем у аналогов Плёночные панели на основе селенида меди-индия Тип солнечных батарей из таких материалов используют медь, индий, селен, как полупроводник. Кстати, индий — это основной, очень необходимый материал, который используется в производстве жидкокристаллических мониторов. Поэтому, оставляя такой материал для этих целей, часто используют галлий, который замещает индий по своим функциям. КПД здесь выше, чем у батарей из теллурида кадмия — около 20%.  Рисунок 7 – Пленочная солнечная панель 2.5 Полимерные солнечные панелиВид солнечных батарей, который не так давно был изобретён и начал производиться. Здесь проводниками выступают полифенилен, фуреллены, фталоцианин меди. При этом такая плёнка очень тонкая — около 100 нм. Несмотря на низкий уровень КПД, около 5%, всё же можно выделить причины, почему стоит выбирать этот тип солнечных батарей: Доступность материалов, дешевизна, отсутствие вредных выделений в атмосферу. Так что такие батареи отлично подходят потребителям, ведь обладают отличной эластичностью и экологичностью. Таблица 2 - Виды солнечных батарей и уровень КПД
Монокристаллические элементы имеют самую высокую мощность в классе, показывают лучшие результаты энергопроизводительности, отличаются компактными габаритами и, как и следовало ожидать, обходятся почти вдвое дороже аналогов. По прочности и стойкости к воздействиям среды панелям из монокристаллического кремния также нет равных: как-либо повредить их не смогут ни град, ни кислотные дожди. Впрочем, в плане защиты от неблагоприятной погоды у любых достаточно качественных фотоэлементов дела обстоят благополучно: серьезно пострадать от осадков могут разве что бракованные или откровенно плохие батареи. Панели на поликристаллах – настоящее воплощение разумного компромисса между стоимостью и качеством. Некоторый недостаток их мощности вполне компенсируется увеличением площади покрытия: при необходимости этими модулями можно покрыть все пространство крыши здания. Самое «бюджетное» решение – покупка батарей с накопителями из пленочного кремния. В своем классе эти модули показывают наихудшие показатели всех важных параметров, да и особой надежностью не отличаются. Тем не менее, востребованными оказываются и они: низкая стоимость и простота развертывания таких панелей позволяет использовать их, например, в дачном домике. Отдельная характеристика любых батарей вне зависимости от типа используемых элементов – качество модуля. Обозначается оно латинской буквой «A», «B» или «С» и определяет надежность панели, а именно, количество остающихся «в строю» элементов после стресс-тестов. Наилучшие показатели у батарей класса «А», наихудшие – соответственно у «С».  Рисунок 8 – Полимерная солнечная панель 3 Подбор контроллеров для солнечных панелейУстройство, которым оснащается каждая солнечная батарея – это контроллер, позволяет регулировать параметры тока, снимаемого на аккумулятор, и режим зарядки в целом. PWM-контроллеры несколько дешевле и стабильнее в эксплуатации, но работают с фиксированным значением номинального напряжения, которое может отличаться от оптимума для данного модуля. Этот недостаток PWM-оборудования совершенно не играет роли при эксплуатации батарей низкой мощности (до 300-400 Вт) или малого напряжения, но оказывается довольно существенным для всех прочих типов панелей. ММРТ-контроллеры представляют собой достаточно сложные электронные устройства, способные самостоятельно регулировать характеристики снимаемого на аккумулятор тока в зависимости от текущих параметров выработки. В результате, любая дополнительная энергия сверх номинала не теряется, а также запасается. Самое главное, чтобы определится с количеством солнечных батарей надо понимать на что они способны, сколько энергии может дать одна солнечная панель, чтобы определить нужное количество. А также нужно понимать, что кроме самих панелей понадобятся аккумуляторы, контроллер заряда, и преобразователь напряжения (инвертор).  Рисунок 9 – Контролер заряда Steca Solarix PRS3030  Рисунок 10 – Электрическая схема контроллера 3.1 Расчет мощности солнечных батарей Чтобы рассчитать необходимую мощность солнечных батарей нужно знать сколько энергии потребляется. Например, частный дом площадью 76 кв.м. Примерно потребление электроэнергии получается около 110 кВт·ч в месяц (показания по счётчику электроэнергии), то соответственно нужно, чтобы солнечные панели вырабатывали такое количество энергии. Солнечные батареи вырабатывают солнечную энергию только в светлое время суток. И выдают свою паспортную мощность только при наличии чистого неба и падении солнечных лучей под прямым углом. При падении солнца под углами мощность и выработка электроэнергии заметно падает, и чем острее угол падения солнечных лучей, тем падение мощности больше. В пасмурную погоду мощность солнечных батарей падает в 15-20 раз, даже при лёгких облачках и дымке мощность солнечных батарей падает в 2-3 раза, и это всё надо учитывать. Наилучшее время, при котором солнечные батареи работают почти на всю мощность – 7 часов, это с 9 утра до 4 часов вечера. Панели летом будут работать от рассвета до заката, но утром и вечером выработка будет совсем небольшая, по объёму всего 20-30% от общей дневной выработки, а 70% энергии будет вырабатываться в интервале с 9 до 16 часов. Таким образом, массив панелей мощностью 1кВт (1000ватт) за летний солнечный день выдаст за период с 9-ти до 16-ти часов 7 кВт·ч электроэнергии, и 210кВт·ч в месяц. Плюс ещё 3кВт (30%) за утро и вечер - это будет запасом, так как возможна переменная облачность. Панели установлены стационарно, и угол падения солнечных лучей изменяется, от этого естественно панели не будут выдавать свою мощность на 100%. Если массив панелей будет на 2кВт, то выработка энергии будет 420кВт·ч в месяц. А если будет одна солнечная панель на 100 ватт, то в день она будет давать всего 700 ватт·ч энергии, а в месяц 21кВт. Неплохо иметь 210кВт·ч в месяц с массива мощностью всего 1кВт, но здесь не всё так просто, во-первых, не бывает такого что все 30 дней в месяце солнечные, поэтому надо посмотреть архив погоды по региону и узнать сколько примерно пасмурных дней по месяцам. В итоге 5-6 дней точно будут пасмурные, когда солнечные панели и половины электроэнергии не будут вырабатывать. С учетом этого получится уже не 210 кВт·ч, а 186 кВт·ч. Расчёт этих характеристик довольно прост, необходимо просуммировать мощность всех электроприборов и умножить их на время работы. Допустим имеются следующие потребители: холодильник, телевизор, компьютер, осветительные приборы, зарядные устройства для телефонов, бытовые маломощные инструменты. Двухкамерный холодильник класса потребления А расходует в день примерно 680 Вт ( указано в паспорте изделия ), телевизор с технологией на жидких кристаллах с диагональю 54 см. потребляет примерно 50 Вт, при просмотре телевизора два часа в день это 100 Вт., компьютер ( ноутбук ) 60 Вт. При работе на компьютере три часа в день потребление составит 180 Вт, освещение три энергосберегающие лампы 15 Вт четыре часа в день тогда: 15 · 4 · 4 = 240 Вт, (2) зарядки трёх телефонов не более 10 Вт в день, маломощная дрель или болгарка 5 минут непрерывной работы (это достигается при работе около часа) 50 Вт. Итого: 680+100+180+240+10+50=1260 Вт, (3) Этот расчёт сделан с учетом, что в течение дня работали потребители: около 3-х часов компьютер, 1час – дрель, 2 часа – телевизор. Общее потребление выходит 1260 Вт в сутки. Можно немного уменьшить потребление электроэнергии несколькими способами: Способ 1 (технологичный). Из расчёта видно, что самые большие потребители это холодильник и свет. Серьёзной экономии можно добиться если заменить энергосберегающие лампы на светодиодные, такие лампы потребляют 4 Вт. при светопотоке, равному светопотоку излучаемого лампой накаливания в 90 Вт, то есть можно сэкономить 180 Вт на освещении. Холодильник можно обклеить сверху, снизу и с боков пенопластом, а также отодвинуть его от стены на 150 и более миллиметров, при этом его потребление снижается на 15 % т.е на 102 Ватта. Общий итог экономии: 180 + 102 = 282 Вт (4) Второй способ - это физическая экономия электроэнергии, поменьше света и потребителей - для нас такой способ мало подходит, хотя разумная экономия всегда должна иметь место. С учётом экономии понадобится: 1260 – 282 = 978 Вт (5) В летнее время 1 Ватт энергии солнечной батареи производит (в среднем (с учётом пасмурных дней) 11 Вт.) в сутки. КПД системы (зарядка аккумулятора и КПД инвертора) около 50 %. То есть мощность батареи должна быть 978 / 11 · 2 = 177,8 Вт. (6) В Краснодарском крае г. Новороссийске весной и осенью световой день короче, поэтому солнечная энергия необходима также с марта по октябрь. Поэтому необходимо увеличить массив солнечных батарей на 30%. Также бывают серьёзные потери в аккумуляторах и в преобразователе (инверторе), которые тоже надо учитывать. Зима не очень хорошее время для выработки электроэнергии, так как неделями нет солнца, поэтому нужно будет питаться от сети в такие периоды, или ставить бензогенератор. Необходимы солнечные батареи с накопителями из пленочного кремния, понадобится примерно 3 панели типа AXITEC 330P/156-72S. Лучше всего установить на крыше. Идеально было бы моторизовать батарею, чтобы можно было в ручном режиме или автоматически поворачивать ее таким образом, чтобы свет от солнца всегда падал под прямым углом к плоскости солнечной панели. Устанавливается батарея направлением на юг под углом примерно 45 градусов к горизонту.  Рисунок - 4 Схема подключения солнечных батарей 3.2 Выбор оборудования и его стоимость Собранная солнечная электростанция служит для обеспечения автономного питания потребителей переменного тока 220В 50Гц мощностью до 1500 Вт, со среднесуточным энергопотреблением до 4500 Вт·ч в весенне-осенний период. Исключительной особенностью данного комплекта является наличие синусоидального инвертора (преобразователя) типа ИС-24-1500, что исключает возможность появления помех в сети, даёт возможность подключать потребители любой категории. Применяемые в солнечной электростанции аккумуляторные батареи типа AXITEC 330P/156-72S имеют наилучшие зарядно-разрядные характеристики в своём ценовом диапазоне. Тип аккумуляторов - свинцово-кислотные, не обслуживаемые, изготовлены по технологии GEL (Delta GX12-200), что даёт возможность эксплуатировать в закрытых, плохопроветриваемых помещениях при температуре от -20 до +60 гр. С. КПД аккумулятора 80%, саморазряд 3% в месяц. Столь малый саморазряд позволяет произвести консервацию системы автономного электроснабжения на зимний период без постановки на заряд. Может комплектоваться дополнительно: Системами монтажа и крепления солнечных панелей. Комплектом солнечных кабелей и коннекторов. Стеллажами для аккумуляторов Стоимость оборудования обойдется в размере 150000 рублей, с учетом дополнительной комплектации. Таблица 3 – Количество и стоимость оборудования для солнечных батарей
|