Солнечные батареи

     Использование энергии Солнца для получения электрической энергии, на сегодняшний день является доступным решением, имеющим свои преимущества в сравнении с другими источниками электропитания. Поэтому, если возник интерес или необходимость купить солнечные батареи, давайте рассмотрим какие они бывают, как работают и как выбрать солнечные батареи для дома или коммерческого объекта.

Что собой представляет и как работает солнечная батарея?

     Солнечная батарея - это электронное устройство, или правильнее сказать система электронных устройств, в которых энергия света преобразуется в постоянный ток.

     Принцип работы солнечных батарей основан на фотоэлектрическом эффекте - физическом явлении, при котором энергия фотонов солнечного света передается электронам полупроводникового материала, из которого солнечная батарея изготовлена. В результате этого взаимодействия образуется электрический заряд и протекает электрический ток.

     Отдельные структурно обособленные элементы, в которых энергия света преобразуется в электрическую, называют фотоэлементы или фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Но так как электрическая энергия, производимая каждым отдельным фотоэлектрическим преобразователем мала, для увеличения мощности их объединяют в единую конструкцию - солнечную батарею (панель).

     Конструктивно солнечная батарея или солнечная панель представляет собой необходимое для ее мощности количество соединенных в единую цепь фотоэлементов, сверху, для защиты, покрытых толстым закаленным стеклом и обрамленных по периметру алюминиевой рамой, с клеммами для подключения нагрузки.

Типы солнечных батарей

     В зависимости от полупроводникового материала, на основе которого работают фотоэлектрические преобразователи, солнечные батареи могут быть монокристаллические и поликристаллические.

     К монокристаллическим солнечным батареям относят панели, в которых для преобразования энергии используется монокристаллический кремний - полупроводник, изготавливаемый из кремния высокой степени очистки и имеющий непрерывную кристаллическую решетку, т.е представляющий собой единый, цельный кристалл необходимого размера (монокристалл).

     Такой выращенный по специальным технологиям монокристалл кремния, перед использованием обрамляется, нарезается на пластины необходимой толщины, которые после дополнительной обработки и становятся основой фотоэлектрических преобразователей солнечной батареи.

     Визуально монокристаллическая солнечная батарея отличается от поликристаллической однородным цветом, который может быть темно-синим или черным (для батарей с антиотражающим покрытием), в редких случаях серым, (для батарей без покрытия). Также фотоэлектрические преобразователи монокристаллической панели, имеют форму квадратов со срезанными углами, потому что монокристаллы из которых они изготавливаются, имеют круглую, цилиндрическую форму.

     Если говорить о достоинствах, то монокристаллические солнечные батареи имеют больший коэффициент полезного действия чем поликристаллические и несколько больший срок службы. Так, КПД монокристаллической панели, в зависимости от ее качества, обычно составляет 18-22%, со сроком службы, при сохранении 80% заявленной мощности - 25-30 лет.

     Недостатками монокристаллических солнечных батарей, являются чувствительность к правильности угла установки и большая цена чем у поликристаллических аналогов.

     Поликристаллические солнечные батареи работают на основе поликристаллического кремния в качестве полупроводника, используемого для преобразования солнечной энергии в электрическую.

     В отличии от монокристаллического кремния, имеющего непрерывную кристаллическую решетку, поликристаллический представляет собой тело из сросшихся, мелких, различно ориентированных кристаллов, т.е является поликристаллом.

     Процесс изготовления поликристаллического кремния проще чем монокристаллического, требует меньших энергозатрат, что положительно сказывается на цене поликристаллических солнечных батарей. Что касается обработки поликристалла для использования в фотоэлектрических преобразователях, то она аналогична монокристаллу.

     Визуально, поликристаллические солнечные батареи отличаются темно-синим неоднородным цветом - с вкраплением других цветов, что обусловлено поликристаллической структурой материала (батареи без антиотражающего покрытия имеют неоднородный серый цвет). Также, фотоэлементы поликристаллических панелей всегда имеют правильную прямоугольную форму, в отличии от псевдоквадратов монокристаллических аналогов.

     Достоинствами поликристаллических солнечных батарей, является меньшая цена чем у монокристаллических, а также меньшая зависимость от правильности угла установки по отношению солнцу.

     Если говорить о недостатках, то для поликристаллических солнечных батарей, это меньший КПД, который составляет 16-18% и несколько меньший срок службы чем у монокристаллических,- 25 лет с сохранением 80% мощности, для качественных батарей.

Выбор мощности солнечных батарей

     Мощность солнечной батареи которая указана в ее технических характеристиках, - это показатель выработки солнечной батареи в стандартных условиях работы. Эти условия общеприняты, являются расчетными практически для всех марок солнечных батарей независимо от страны изготовления и четко определены:

• - инсоляция 1000 Вт/м2;
• - температура 25 °С;
• - коэффициент воздушной массы AM 1,5.

     На практике же, при отклонении реальных условий работы от стандартных, мощность солнечной батареи, также будет меняться. Давайте рассмотрим, каждое из этих условий, чтобы понять, в какой степени их изменение повлияет на выработку.

Инсоляция

     Уровень инсоляции характеризует интенсивность солнечного излучения, - т.е. количество энергии, которую несет в себе солнечный свет. Рядом с нашей планетой, поток солнечного излучения имеет среднюю мощность 1367 Вт/м2 (солнечная постоянная), но при прохождении через атмосферу, его энергия уменьшается. Согласно исследованиям, в середине летнего, ясного дня, мощность солнечного света, перпендикулярно падающего на поверхность, имеет среднее значение 1000 Вт/м2.

     Как известно, выработка солнечной батареи прямо пропорциональна интенсивности солнечного излучения. При этом, мощность солнечного света изменяется в течении дня (от рассвета до заката), в зависимости от погодных условий, а также от времени года. Поэтому, для удобства расчета прогнозируемой выработки используют среднюю суммарную мощность солнечного излучения, полученную за рассматриваемый период в месте установки солнечных батарей согласно статистическим данным. Например, для Киева, средний уровень солнечного излучения в марте составляет 2950 Вт/м2 в день. Это значит, что в среднем за один день в марте, общая полученная солнечная энергия эквивалентна примерно 3 часам идеальных, описанных выше условий с уровнем инсоляции 1000 Вт/м2.

Как влияет температура на мощность солнечной батареи?

     Солнечная батарея способна достичь своей максимальной мощности, при температуре не более 25 °С. При повышении температуры выше этого значения, выработка солнечной батареи будет снижаться на 0,45% за каждый последующий градус. Величина и динамика уменьшения мощности при увеличении температуры, у монокристаллических и поликристаллических солнечных батарей одинаковы и точные их значения можно получить из графика изменения вольт-амперных характеристик солнечной батареи в зависимости от температуры.

     Наибольшее влияние на мощность солнечной батареи, увеличение температуры оказывает в безветренную погоду летом, когда батарея нагревается выше 50 °С. Зимой мощность не меняется из-за температуры, поэтому при меньшей инсоляции, солнечная батарея способна обеспечить пропорционально большую выработку (большую на единицу мощности потока солнечного излучения в сравнении с летним периодом).

Что означает AM 1,5?

     АМ - это коэффициент воздушной массы, аббревиатура является сокращением английских слов Air Mass.

     Проходя через атмосферу Земли, солнечное излучение теряет энергию, а также меняется его спектр. Это происходит из-за рассеивания солнечного света атмосферной пылью, смогом, аэрозолями и поглощением части спектра водяным паром, молекулярным озоном, азотом, углекислым газом. И чем длиннее путь солнечного света через атмосферу, тем сильнее это влияние.

     Как известно, угол солнца над горизонтом изменяется не только в течении дня, от восхода до заката, но и в зависимости от времени года, - летом солнце поднимается выше над горизонтом чем зимой. При этом, чем ниже солнце находится над горизонтом, тем больший путь солнечным лучам нужно пройти через атмосферу, чтобы достигнуть поверхности земли, и тем сильнее ее влияние на мощность и спектр солнечного излучения. Эти изменения мы можем видеть на рассвете или во время заката, когда солнце и небо окрашиваются в оранжевые и красные тона, что свидетельствует о преобладании длинноволнового излучения в спектре.

     Для того, чтобы учитывать влияние атмосферы Земли на мощность и спектр солнечного излучения и используют коэффициент воздушной массы АМ. Так, значение AM 1,5, т.е. полторы атмосферы, характеризует расстояние которое пройдет солнечный свет до поверхности земли, при зенитном угле солнца 48,2 градуса, что принято считать средним показателем влияния атмосферы на интенсивность и спектр солнечного потока.

Как погода влияет на производительность солнечных батарей?

     Выработка электроэнергии солнечными батареями не постоянна во времени и изменяется:

• - в течении дня, от восхода до заката, достигая своего пика, когда солнце находится в зените;
• - при появлении туч.

     Это неудобно, потому что пик потребления обычно приходится именно на вечер, кроме того, внезапное изменение погоды днем, может существенно снизить производительность. Поэтому, для накопления и хранения энергии, вырабатываемой солнечными батареям, используются аккумуляторные батареи. Такая система состоит не только из АКБ, но и из контроллеров заряда, инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный, и вместе с солнечными батареями, называется фотоэлектрическая система или солнечная электростанция.

     При изменении погоды, можно рассчитывать, что в облачность, солнечные батареи обеспечат около 60-80% своей мощности, в пасмурную же погоду, выработка сократится до 20-30%.

     Кроме рассмотренных выше факторов, на мощность солнечной батареи влияет ориентация относительно сторон света и угол наклона по отношению к движению солнца. Поэтому, для достижения максимальной выработки, солнечные батареи должны быть правильно установлены.

Установка солнечных батарей

     Наиболее эффективно солнечные батареи работают при установке по направлению к югу и перпендикулярном падении солнечных лучей. Если солнечные панели направлены к другим сторонам света, их эффективность будет меньшей и ориентировочно составит:

• - для юго-запада и юго-востока, 95% мощности;
• - запад и восток, 80% мощности;
• - северо-запад и северо-восток, 50-65% мощности;
• - для севера, 30% и менее мощности солнечных батарей.

     Когда речь идет не о промышленной солнечной электростанции, а об установке солнечных батарей для дома, на практике, ориентация точно на юг является скорее исключением чем правилом. Поэтому, в случае невозможности реализации эффективных альтернативных решений по установке, вопрос снижения мощности решается увеличением общей площади солнечных батарей.

     Почему солнечные батареи имеют высокую производительность если направлены на юг и под каким углом они должны быть установлены?

Ориентация и угол установки солнечных батарей

     Ориентация солнечных батарей относительно сторон света и угол установки, связаны с движением, которое совершает солнце по небу от восхода до заката.

     Из-за наклона земной оси, летом Земля немного развернута к солнцу северным полушарием, а зимой наоборот, - южным. Поэтому, летом в северном полушарии солнце поднимается над горизонтом выше чем зимой и его путь по небу длиннее. Это и является причиной того, что летом дни длятся дольше чем зимой, а ночи короче. Восход летом происходит на северо-востоке а закат на северо-западе. Зимой же наоборот, - солнце поднимается над горизонтом ниже и проходит по небу меньший путь, дни при этом короче чем летом, а ночи длиннее. Восходит солнце зимой на юго-востоке и заходит на юго-западе. Весной же и осенью, угол солнца над горизонтом и его путь по небу от восхода до заката, находятся посередине между летним и зимним значениями. При этом, в любое время года, путь солнца по небу от восхода до заката, проходит через юг, где солнце и достигает своей наивысшей точки над горизонтом, когда находится в зените.

     Так как максимальной эффективности солнечные батареи достигают при перпендикулярном падении солнечных лучей, а угол солнца над горизонтом в течении года меняется, при установке солнечных батарей, в зависимости от объекта, используется один из следующих вариантов:

• - солнечные батареи устанавливаются под фиксированным углом, средним между летним и зимним значениями;
• - солнечные батареи устанавливаются с изменяемым углом наклона, который корректируется для каждого времени года или два раза в год;
• - используются трекеры, изменяющие угол и направление солнечных батарей в зависимости от движения солнца.

     Если говорить о трекерах, прирост выработки который они обеспечивают, в сравнении с затратами, показывает экономическую целесообразность их использования в крупных проектах. Однако, бывают и исключения, когда установка солнечных батарей на трекеры, является хотя и затратным, но наиболее удобным решением.

     Оптимальный угол наклона солнечных батарей, зависит от широты местности и для весны с осенью равен ее значению. Угол равный широте местности, также используется при фиксированной установке солнечных батарей, так как его значение является средним в году. Приведем в качестве примера, значение широты для нескольких крупных городов Украины от Киева на юг:

     Киев 50,27 градусов;

     Харьков 50,0;

     Львов 49,50;

     Днепр 48,28;

     Одесса 46,29;

     Если солнечные батареи устанавливаются с изменяемым углом наклона, для увеличения выработки, угол можно корректировать для каждого времени года или дважды в год. Точные значения углов рассчитываются перед установкой, в зависимости от географических координат объекта, но приблизительно, летом, от весенне/осеннего значения отнимается 10-15 градусов, зимой же, наоборот, - 10-15 градусов прибавляется.

     При отклонении угла установки от оптимального, эффективность солнечных батарей будет снижаться, но для малых углов, это снижение незначительно:

• - 9 градусов - 1,2%;
• - 18 градусов - 4.9%;
• - 40 градусов - 19.0%;
• - 45 градусов - 29.0%;

     После расчета углов, в зависимости от ориентации в пространстве, тени и ряда других факторов, выбирается оптимальное место для установки. Солнечные батареи устанавливаются под заданным или изменяемым углом:

• - на скатных крышах;
• - на плоских крышах (под углом на поддерживающей конструкции);
• - на фасадах здания;
• - на беседках, навесах, пристройках, в случае необходимости, при использовании специальных конструкций, увеличивается площадь размещения;
• - наземная установка;
• - на трекеры.

     Установка солнечных батарей является не менее важным этапом чем выбор оборудования, она должна быть выполнена профессионалами - кроме правильности размещения, система должна выдержать воздействие погодных условий и сильные порывы ветра в течении всего срока службы солнечных батарей.

Солнечные батареи под ключ

     Наша компания проектирует и устанавливает солнечные батареи под ключ в Украине, с гарантией на все оборудование и выполненные работы. Накопленный опыт позволяет реализовывать проекты и решать задачи любой степени сложности, у нас можно купить солнечные батареи с необходимым оборудованием, установкой, гарантией и обслуживанием в Украине:

• - для частных домов, дач, коттеджей, таунхаусов;
• - для медицинских учреждений;
• - для сельскохозяйственных объектов, животноводческих ферм, теплиц, хранилищ, оранжерей;
• - для бизнеса, коммерческих объектов, предприятий;
• - а также проектирование и строительство промышленных солнечных электростанций.

     Если принято решение или рассматривается возможность использования солнечных батарей, квалифицированные специалисты нашей компании ответят на интересующие вопросы, рассчитают параметры системы и помогут найти наиболее эффективное решение в зависимости от индивидуальных потребностей заказчика, с правильной интеграцией в уже существующую систему.