Солнечные электростанции: разновидности и преимущества использования, подробное видео

Особенности солнечных электростанций для дома

Солнечные электростанции, созданные для обеспечения дома, имеют относительно небольшие размеры и производительность. Они служат источником питания ограниченного количества потребителей, поэтому производят только необходимое количество энергии, не отдавая излишки в сеть (тем более, что нередко сетевой энергии поблизости не имеется).

Существуют как полноценные комплекты, позволяющие обеспечивать все системы дома (отопление, водоснабжение, питание бытовых приборов и освещения), так и специализированные системы, обеспечивающие функционирование только водоснабжения или отопления.

Также нередко СЭС объединяются с ветрогенераторами или иными источниками, способными обслуживаться тем же набором аппаратуры, что и солнечные модули.

Есть ли будущее у альтернативных источников энергии в России

Несмотря на положительные тенденции, об активном развитии ВИЭ в России речи пока не идет.

Полноценному развитию ВИЭ в России препятствует отсутствие амбициозных национальных целей в области развития ВИЭ, а также распространенность неверных убеждений, считает Ланьшина из РАНХиГС. «Например, многие жители страны, включая лиц, принимающих решения, сомневаются, что за счет энергии солнца и ветра можно стабильно снабжать предприятия электроэнергией, считают, что для солнечной электростанции необходима огромная территория, а также не знают о том, что в России производство солнечной электроэнергии сегодня может стоить менее ₽4 за 1 кВт·ч», — добавляет она.

Зеленая экономика

Как менялось отношение к проблемам экологии в России за последние 20 лет

Еще одна из причин отсутствия развития в этой сфере — недостаточное количество специалистов в области ВИЭ.

Илья Лихов, гендиректор Neosun Energy:

«К сожалению, в России слабая инженерная база. У нас мало инженеров, ориентирующихся в современном оборудовании и технологиях, которые могли бы заниматься практическим обучением новых специалистов. Сейчас институт инжиниринга в России — это наследие СССР, которое с 1980-х годов эволюционирует очень медленно, а зачастую и вовсе закрыто к современным идеям».

В комплексе изменить систему поможет развитие образовательных проектов. Так, группа «Роснано» с издательством «Точка.Digital» и Ассоциацией развития возобновляемой энергетики выпустили учебное пособие «Развитие возобновляемой энергетики в России: технологии и экономика».

С конца 2019 года в России работает образовательный проект «Солнечные школы» — на крышах школ устанавливаются фотоэлектрические модули для производства электроэнергии. При этом солнечная энергия накапливается с помощью современных аккумуляторных систем, а электроэнергию, полученную с ее помощью, можно использовать в школе — например, для освещения или зарядки смартфонов.

Ирина Головашина, представитель Гёте-Института в Москве:

«На уроках дети могут сами познакомиться с принципами работы фотоэлектрических систем. Сейчас солнечные панели установлены на крышах школ в Москве, Санкт-Петербурге, Самаре, Краснодаре, Калининграде, Уфе и Ульяновске. При этом каждая школа-участница проекта получила в подарок «Чемоданчики для экспериментов», с помощью которых ученики могут выполнять различные лабораторные работы и углублять практические навыки».

Развиваться в этой сфере заинтересованные школьники смогут в проекте «Солнечные Университеты», который реализует МЭИ вместе с компаниями eclareon и НП «Евросолар». В нем участвуют вузы из Москвы, Калининградской области, Краснодарского края, Башкортостана, Ульяновской и Самарской областей и многие другие.

Зеленая экономика

Экологическое просвещение в школах: как устроено и кто за него отвечает

Татьяна Андреева, проект-менеджер eclareon GmbH, координатор проекта «ENABLING PV in Russia»:

«Цель проекта — создать сеть между университетами и «солнечными школами» и предложить выпускникам семи школ подходящую платформу и пул знаний для обучения в области энергетических технологий и энергетической промышленности в сфере ВИЭ. Участвующие российские университеты будут объединяться с немецкими университетами, научно-исследовательскими институтами, уже создавшими учебные и образовательные программы, а также исследовательские проекты в области фотовольтаики и ВИЭ».

Число образовательных проектов будет неизбежно увеличиваться, ведь ВИЭ продолжают создавать многочисленные рабочие места по всему миру. Согласно данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), количество рабочих мест в секторе достигло в 2020 году 11,5 млн по всему миру. Большинство работ — в сфере солнечной энергетики, здесь заняты 3,8 млн сотрудников.

Устройство и принцип работы автономной СЭС

В комплект автономной электростанции входят:

• Аккумуляторные батареи. На данный момент на российском рынке представлены в основном свинцовые АКБ, которые довольно дешевые, но имеют ограниченный ресурс.
• При этом существует и другой тип АКБ — Li-Ion, которые многократно превосходят свинцовые по рабочему ресурсу, они служат дольше, но стоят дороже.
• Солнечные модули — отвечают за преобразование солнечной энергии в постоянный электрический ток. Гетероструктурные модули имеют низкий температурный коэффициент и высокую эффективность.
• Контролеры заряда/разряда — оптимизируют процесс энергообеспечения, минимизируют потери энергии и продлевают срок автономной работы системы.
• Инверторы — оборудование для преобразования постоянного тока, получаемого от солнечных панелей, в переменный 220В.
• Вспомогательные элементы — солнечный кабель, электрический щит, MC4 коннекторы.

В солнечные дни модули вырабатывают электрический ток постоянного напряжения. Этот ток поступает к контроллеру, который стабилизирует его в диапазоне, подходящем для заряда аккумуляторов. Владелец электростанции может на свое усмотрение настраивать схему работы оборудования. Первый вариант: когда АКБ получают полный заряд, излишки электроэнергии направляются к инвертору напряжения. Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный и подает его в энергосистему объекта. Второй вариант: система подает энергию на потребителя, а потом уже на АКБ.
Когда солнечной активности нет (ночь) или ее недостаточно (пасмурный день, объект получает электрическую энергию из аккумуляторных батарей или сети при ее наличии В систему можно включать дополнительный источник альтернативной электрогенерации (обычно бензиновый, дизельный или ветровой генератор).
Пример — автономная СЭС, комплект «Расширенный+» 2,32 кВт ФЭМ, 9,6 кВт/ч АКБ от АО «Мосэнергосбыт».

Преимущества автономных СЭС

• Подходят для электрификации любых объектов;
• быстрый монтаж, не нужны разрешения;
• относительная доступность — в некоторых районах подключение к централизованным коммуникациям обойдется значительно дороже, плюс придется платить за израсходованную электроэнергию, солнечная энергия бесплатная;
• отсутствие скачков напряжения, внезапных отключений, которые провоцируют поломку бытовой техники/оборудования;
• стабильная подача электроэнергии — за счет АКБ обеспечивается ее резервирование.

Стоимость солнечной станции зависит от потребностей владельцев. Солнечная станция мощностью 4 кВт в среднем вырабатывает за год 5 МВт*ч. В зимние месяцы средний объем генерируемой энергии составляет 80 кВт, в летний период — до 700 кВт*ч.

Сравнение различных типов СЭС

Наглядно сравнительную характеристик различных видов солнечных станций можно посмотреть виде таблице.

	Автономная	Сетевая	Гибридная
Состав	Панели, инвертор, контроллер, АКБ	Панели, PV-инвертор	Панели, гибридный инвертор, контроллер, АКБ
Возможности	Независимое функционирование	Функционирование только совместно с электросетью	Допускается работа в любом из трех режимов
Предназначение	Пеший и автотуризм, дачи, частные дома, объекты с отсутствием возможности подключения к центральным электросетям	Коттеджи, дачи, городские квартиры, предприятия и заводы	Любые объекты с проблемным поступлением традиционного сетевого электропитания, предприятия с круглосуточным режимом работы
Принцип действия	Энергия от панелей поступает на АКБ или подается на точки потребления через инвертор-преобразователь DC/AC	Электроэнергия подается либо от панелей, либо из сети, возможно подмешивание	Солнечные панели подключаются к гибридному (комби) инвертору – устройству сетевого типа, но с возможностью подключения в комплекс АКБ.

Во сколько обходится строительство солнечных электростанций?

Цена зависит от типа станции, климатических особенностей места строительства и технических параметров. Не рекомендуется приобретать б/у оборудования или китайские изделия неизвестных производителей.

Электростанции, построенные на монокристаллических mono-Si панелях, первоначально обходятся дороже, но при детальном рассмотрении срока службы, стойкости к деградации и эффективности, делает этот тип модулей выгоднее поликристаллических poly-Si модулей.
Использование поли панелей хорошо применимо, когда необходимо минимизировать первоначальные вложения на солнечную электростанцию.   

Совокупная мощность станции, а также емкость и тип аккумуляторов подбирается под конкретные задачи и финансовые возможности покупателя. В среднем солнечные электростанции в России обходятся в $0,8 – $1 за 1Вт установленной мощности с учетом сдачи объекта «под ключ». При самостоятельной установке небольших СЭС можно сэкономить до 20% стоимости затрат.

Нынешнее состояние и перспективы солнечной энергетики в России

С 2017 года строительство СЭС в стране значительно ускорилось. Благодаря быстрому падению цен на оборудование и политике государственной поддержки общая мощность действующих станций выросла с 25,5 МВт до 682 МВт – более чем в 26 раз. Небольшие частные объекты до 15кВт, а также промышленные до 25МВт при условии 70% локализации, стали более выгодным вложением инвестиций. На побережьях и в горных районах чаще появляются и комбинированные солнечно-ветровые электростанции.

Себестоимость электроэнергии без субсидирования пока выше традиционной. Однако, при сохранении нынешних тенденций развития технологий и эффективности, уже к 2030 году картина может стать обратной.

Какую взять: переносную или стационарную солнечную батарею?

Как выбрать солнечную батарею по конструктивному исполнению? Существуют стационарные и переносные модели. Стационарные солнечные панели предназначены для монтажа на крышу дома или гаража. Они имеют немалый вес и не предназначены для перемещения. Стационарную батарею стоит купить, если необходимо запитать дом или дачу.

Переносные складные панели удобны для походов. Если нужно подзарядить телефон или планшет, подключить походный холодильник или телевизор. Некоторые, как например, ФСМ-7МТ, имеют складную конструкцию и превращаются в небольшую сумочку. Они имеют USB-порт для подключения зарядки телефона или планшета. Вес такого устройства всего 300 гр, поэтому его можно свободно носить в рюкзаке.

Существуют мощные складные панели до 150 Вт. Такие панели подходят для палаточных городков или кемпинга на долгих стоянках. Как и мобильные модули они также имеют складную конструкцию – правда, в рюкзак уже не поместятся. Одной из таких хороших складных солнечных батарей является двухпанельный модуль Woodland Sun House мощностью 120 Вт. Длина такой панели в разложенном состоянии составляет 128 см. Производитель предусмотрел для нее специальную сумку для транспортировки, куда солнечная панель помещается в сложенном состоянии.

Так какую солнечную батарею все-таки лучше взять: стационарную или переносную? Если нужно запитать дом, то однозначно стационарную соответствующей мощности. Для походов в лес и долгих стоянок лучше взять складную модель. А для мобильного телефона или планшета небольшую панель в виде сумки.

Установка фотоэлементов

Устанавливаются они по специальной методике:

• для увеличения производительности выставляется под углом 90 градусов к падающим лучам поверхность блоков;
• допустимая погрешность (учитывая, что Светило движется) от перпендикулярного положения не может превышать 15 градусов;
• при всесезонном пользовании электростанцией, необходимо угол выставить относительно широты в столько же градусов, но со знаком «+», т.е. +15 градусов;
• если предполагается пользоваться станцией только в жаркое время, отталкиваются от значения угла в – 15 градусов.

• Только, установив солнечную батарею под углом в 90 градусов к падающим лучам, можно рассчитывать на максимальную эффективность. Увеличить отдачу до полутора раз возможно, если батарею солнечную закрепить на поворотном устройстве, способном двигаться вслед за перемещением Солнца. Способ рассчитан на небольшие конструкции.

Область применения солнечных панелей

Стационарные панели

Солнечные панели могут использоваться как в стационарных условиях, так и быть переносными.

Фиксированные модули применяются в следующих областях:

• на солнечных электростанциях;
• в автономных, резервных или гибридных электростанциях для дома или дачи;
• для обогрева помещений и нагрева воды (солнечный коллектор);
• в автономных системах освещения улиц;
• для питания рекламных щитов;
• в системах навигации и сигнализации;
• в насосных станциях и др.

Рассматривая стационарные солнечные электростанции, остановимся подробнее на тех, которые используются для электроснабжения дома. Чтобы обеспечить жилище электричеством с помощью энергии Солнца, понадобятся следующие комплектующие:

• солнечные модули;
• аккумулятор (для накопления неизрасходованной энергии);
• контроллер напряжения (увеличивает срок службы аккумулятора, но не обязателен для установки);
• инвертор (преобразует постоянный ток аккумулятора в необходимый переменный ток для электроприборов).

Домашние солнечные электростанции по отношению к централизованному электроснабжению могут быть:

автономные.

Автономные, т.е. независимые от других источников питания, солнечные электростанции используются там, где невозможно по определенным причинам (значительная удаленность от населенных пунктов) подключение к общей электросети. Их использование целесообразно в южных районах, где длиннее световой день и большое количество ясных дней. В любом случае ее желательно продублировать генератором на горючем топливе. Основные преимущества автономной станции – это ее экологичность, бесшумность, минимальное техническое обслуживание в течение эксплуатации. Минус – ночью или в пасмурные дни электроэнергия вырабатываться не будет. Кроме того для их работы необходимы выше названные комплектующие, которые делают автономную систему довольно дорогой.

резервные.

Резервные, или сетевые, электростанции устанавливаются там, где есть подключение к центральной электрической сети. Она используется, как дополнительный источник электроэнергии. Резервная солнечная электростанция начинает свою работу в случае перерыва подачи электроэнергии от сети. Преимущества – бесшумность, надежность, возможность монтажа на крышу или фасад здания. Также плюсом является отсутствие аккумулятора, контроллера и инвертора, что значительно удешевляет систему.

гибридные.

По сути, представляет собой автономную станцию, подключенную к электрической сети. Энергия, полученная от Солнца, используется в первую очередь, при ее нехватке подача электроэнергии идет уже от централизованного электроснабжения. Позволяет значительно экономить на платежах за потребленную электроэнергию.

Мобильные модули

Мобильные устройства по преобразованию энергии Солнца в электрический ток могут применяться:

• для зарядки мобильных телефонов и других мобильных устройств;
• для питания радиоприемников во время походов, рыбалки;
• для питания систем навигации во время экспедиций;
• для освещения в темное время суток во время походов.

Портативные батареи стали незаменимым аксессуаром у любителей загородных поездок и туристов, путешествующих по диким местам, в которых отсутствует электричество. Так как современная жизнь даже на необитаемом острове или в горах невозможна без различных гаджетов, их подзарядка производится от зарядных устройств, преобразующих солнечную энергию. Портативные солнечные батареи чаще всего выпускаются на основе монокристаллического кремния. Они различаются размерами, формой, мощностью. Компактные батареи с небольшой мощностью могут поместиться в кармане, а большие и мощные могут быть установлены на крыше автомобиля. Кроме того они снабжены всевозможными переходниками для подключения различной техники.

Виды и принцип работы: СЭС электростанция

Современные СЭС конструктивно отличаются друг от друга, хотя технологический процесс выработки энергии одинаков.

Виды СЭС:

• Башенные конструкции;
• Тарельчатые электростанции;
• СЭС на параболоцилиндрических концентраторах;
• Солнечные станции с фотоэлементами или солнечные генераторы;
• Вакуумные электростанции.

Башенные СЭС отличаются специальной башней в центре элементов. В ее верхней точке установлен бак с водой, выполненный из жаропрочного металла и покрытый черной краской. Вокруг башни располагаются множество зеркал, уложенных с расчетом отражения солнечных лучей на резервуар. Вода нагревается до высоких температур и начинает конденсировать. Пар подается на турбины и вращает генераторы, вырабатывающие ток. Такие конструкции подают высокую мощность.

Единственным минусом являются большие площади занимаемой конструкцией и не возможность выработки энергии в ночное время. Принцип работы тарельчатых станций аналогичен башенной СЭС. Разница заключается в конструкции. В данном варианте используют отдельные модули из зеркал, включающие отражатель и приемник с жидкостью. Приемник соединен с генератором пара, который вырабатывает электричество. Одного модуля будет достаточно для небольшого частного дома. В промышленных масштабах используют сотни приборов.

Экономные солнечные генераторы: принцип работы

Для труднодоступных районов с перебойным обеспечением электроэнергией солнечные генераторы становятся спасением комфортного проживания. С помощью него можно решить проблемы энергоресурсов и обеспечить автономное энергообеспечение. В основном бытовые генераторы рассчитаны на 220 В. Устройства оснащены дисплеем, который отображает сообщение о работе батарей. Устанавливаются приборы на участках с большим поступлением солнечных лучей: крыша дома, стены здания, открытая местность.

Такой прибор сможет обеспечить работу бытового оборудования: холодильника, стиральной машины, зарядки компьютерных систем, работы отопительных приборов, электроинструментов и циркулярных насосов. Бесперебойная работа гарантирована на 10 – 12 часов.

Достоинства системы заключаются:

• В автономности;
• Не зависимости от центрального снабжения;
• Мобильности;
• Бесшумной работе;
• Экологической безопасности;
• Длительном сроке эксплуатации;
• Компактности;
• Возможности работать на непроветриваемых участках.

Единственным минусом является стоимость устройства, которая в последствии окупает затраты на электроэнергию.

Самодельное зарядное устройство на солнечных батареях

Для того чтобы самостоятельно соорудить зарядку на солнечных батареях, нужно знать, из каких элементов она должна состоять. На самом деле такой прибор отличается довольно простой конструкцией. В её состав входит:

• контроллер заряда аккумулятора;
• преобразователь;
• аккумуляторная батарея.

Для самостоятельной сборки зарядки нужно понимать принцип её работы, который состоит из таких этапов:

1. Солнечные лучи попадают на панель и улавливаются ею. Далее они конвертируются в электроэнергию.
2. Электричество накапливается в аккумуляторной батарее. Скорость этого процесса напрямую зависит от мощности солнечной панели и состояния окружающей среды.
3. Контроллер заряда батарейки применяется для регулирования накопления энергии в аккумуляторе.
4. Зарядка любой техники происходит при помощи присоединения через USB-порт.

Самодельное зарядное устройство для телефона на солнечных батареях предусматривает наличие комплектующих, имеющихся в свободном доступе и стоящих недорого. Итак, в вашем распоряжении должны быть такие элементы:

• солнечная батарея, которую можно взять от садовых фонариков или транзисторов (слабая). При покупке она может стоить $3–5;
• повышающий преобразователь напряжения на 5В, который стоит от $2 (имеет компактные габариты, низкую цену и подходит для зарядки смартфона);
• преобразователь можно заменить контроллером заряда (если подключаемая солнечная батарея вырабатывает напряжение 7–30 В);
• провод, который припаивается к батарее и к преобразователю или контроллеру.

В присоединении провода и заключается вся задача по созданию самодельной зарядки. Если вам мешает болтающаяся плата, то приклейте её к тыльной стороне аккумулятора или поместите все компоненты в какой-нибудь корпус. Переходники помогут применять устройство для заряда всевозможных мобильных устройств.

Таким образом, вы становитесь энергонезависимыми, а отсутствие рядом розетки не становится для вас препятствием к применению современных девайсов.

Как подключить

Если не стоит задача обеспечить электричеством весь дом, то можно обойтись простой схемой. Солнечная панель + аккумулятор + контролер заряда, соединённые клеммами. Аккумулятор накапливают электроэнергию, а от него можно пользоваться зарядкой телефона, наладить освещение или подключить устройства, работающие от постоянных 12 В. Способ примитивный, но рабочий.

Когда есть необходимость запитать домашние устройства напряжением 220 В, в цепь добавляется преобразователь постоянных 12 или 24 В, выдаваемых панелью, в переменные 220 В.

На практике реализуются два типа подключения:

• Последовательный;
• Параллельный.

Последовательное соединение дает более высокое напряжение.

Если необходим более высокий ток, панели подключаются параллельно.

Можно повысить сразу и ток и напряжение. Для этого часть панелей соединяются последовательно, а другая часть параллельно.

При этом оба режима гарантируют более высокую мощность. Но если для работы домашней электросети не хватает мощности надо добавить количество панелей.

Фиксация элементов по временной схеме

Если рассматривать дачный вариант, когда вся работа только по выходным, удобнее переносной вариант. Панели должны легко разбираться, чтобы потом их спрятать или увезти с собой. В этом у солнечных электростанций преимущества и недостатки перед другими решениями.

Фиксация панелей по постоянной схеме

Если для размещения солнечных панелей предполагается использовать крышу строения, то надо учесть материал перекрытия.

1. Перекрытия из металла. Для монтажа потребуется сквозное сверление.
2. Шифер. Не рекомендуется для монтажа ввиду хрупкости покрытия.
3. ПВХ или ЭПДМ. Монтаж производится на стыках листов.

Особенности монтажа

Есть определенные правила монтажа, которых нужно придерживаться:

Угол наклона

Важно чтобы панели как можно большую часть дня были под падающими лучами солнца.
Затемнение. При смене траектории солнца соседние панели не должны создавать тень

Для этого важно сохранить необходимое расстояние между элементами.

Недостатки использования солнечных батарей

Солнечная энергия, а именно ее использование, предусматривает также и минусы, не смотря на вышеописанные плюсы.

К недостаткам относят следующие факторы:

• высокая цена;
• низкий КПД;
• большая площадь, занимаемая системой;
• зависимость работы от погодных условий.

Стоимость монтажа системы, которая сможет удовлетворить индивидуальные потребности человека, непомерно высока. Не говоря уже о том, чтобы снабдить электроэнергией целый дом. Это объясняется следующим пунктом.

Низкий КПД

Продуктивность солнечных батарей намного ниже, по сравнению с традиционными источниками электроэнергии. Например, панель средней работоспособности, площадью в 1 м2 производит мощность около 120 Вт. Этого должно хватить только для зарядки планшета или телефона. Из этого вытекает следующий пункт.

Большая площадь, занимаемая системой

Чтобы обеспечить ваши минимальные потребности в электроэнергии, вам понадобится очень большая площадь. Если, конечно же, речь не идет о зарядке телефонов, планшетов или работы приборов с потреблением низкой мощности.

Зависимость работы от погодных условий

КПД солнечных батарей снижается в пасмурный, облачный день, зимой, при низких температурах и т.д. Ночью, в отсутствие Солнца, источника энергии, производство электричества прекращается. На работу панелей также влияет расположение вашего дома и окон.