Гибкие солнечные батареи - плюсы и минусы, выбор и монтаж

Способы использования солнечной энергии

Методы применения энергии небесного светила не относятся к инновационным технологиям, солнечное тепло используют давно и весьма успешно. Однако это касается, в основном, Австралии, некоторых стран Европы, Америки и южных регионов, где альтернативную энергию можно получать в течение всего года.

Некоторые северные области испытывают дефицит естественного излучения, поэтому его применяют в качестве дополнительного или запасного варианта.

Посредниками между солнечными лучами и образующим энергию механизмом являются солнечные батареи или коллекторы, которые отличаются и назначением, и конструкцией.

Батареи аккумулируют энергию солнца и позволяют использовать ее для питания бытовых электрических приборов. Они представляют собой панели с фотоэлементами с одной стороны и фиксирующим механизмом с другой. Можно поэкспериментировать и собрать батарею самостоятельно, но проще купить готовые элементы – выбор достаточно широк.

Гелиосистемы (солнечные коллекторы) являются частью отопительной системы дома. Большие теплоизолированные короба с теплоносителем, как и батареи, крепят на приподнятых щитах, обращенных к солнцу, или скатах крыши.

Считать, что абсолютно все северные регионы получают намного меньше естественного тепла, чем южные, ошибочно. Предположим, на Чукотке или в центральной Канаде солнечных дней намного больше, чем в расположенной южнее Великобритании

Для повышения эффективности панели помещают на динамические механизмы, напоминающие систему слежения – они поворачиваются вслед за движением солнца. Процесс преобразования энергии происходит в трубках, расположенных внутри коробов.

Главное отличие гелиосистем от солнечных батарей в том, что первые нагревают теплоноситель, а вторые аккумулируют электроэнергию. Есть возможность обогревать помещение и с помощью фотоэлементов, но схемы устройства нерациональны и пригодны только для тех для районов, где солнечных дней в году не менее 200.

Схема устройства отопительной системы с солнечным коллектором, подключенным к бойлеру, и запасным источником электроэнергии (например, газовым котлом), работающем на традиционном топливе (+)

Расчет потребляемой энергии и окупаемости

Как мы видим, вопрос, как выбрать солнечную батарею далеко не праздный.

Составим для себя небольшую таблицу всех предполагаемых потребителей электричества в вашем дачном доме.

В таблице необходимо собрать:

все устройства потребляющие электроэнергию,
их существующее или предполагаемое количество во всем доме,
мощность каждого устройства,
время работы в часах и потребляемую мощность прибора в кВт.

Вторая таблица дает возможность оценить те затраты, которые необходимо отдать за покупку оборудования.

Очень важно рассчитать полную нагрузку автономного инвертора при одновременном включении всех потребителей электроэнергии в вашем доме. Полученные показатели в правой колонке суммируем

Результат — мощность вашего будущего инвертора для вашей сети

Полученные показатели в правой колонке суммируем. Результат — мощность вашего будущего инвертора для вашей сети.

Не забудем про пиковые скачки напряжения при пуске некоторого электрооборудования, например, такого как поливочный электронасос. Если у будущего инвертора пиковая нагрузка окажется ниже вашего суммарного скачка всех приборов, подключённых к домашней сети, то ваш преобразователь может просто этого не выдержать и сгореть.

Сферы применения

Помимо ситуаций, где тонкопленочные модификации могут использоваться наравне с классикой, существует несколько сфер, где применение традиционных модулей неудобно или невозможно вовсе:

благодаря чрезвычайно малой массе, гибкие батареи часто устанавливаются на дроны, а также электрические и гибридные автомобили:
использование солнечных пленок очень удобно в портативных СЭС небольшой мощности, что быстро оценили любители многодневных походов пешком или на лодках;
начинается постепенное внедрение тонкопленочной фотовольтаики в традиционные предметы гардероба – одежду, обувь, а также рюкзаки и сумки;
эластичность и небольшой вес незаменимы при снабжении энергией солнца теплиц и прочих конструкций с нелинейной формой кровли, не приспособленных к высокой нагрузке;
во многих странах гибкие панели массово покрывают навесы над стоянками авто и остановками общественного транспорта;
в самом ближайшем будущем тонкие пленки начнут интегрироваться не только в крыши, но и в окна.

Новая гелио технология быстро завоевывает мир, хотя и находится пока в стадии становления. Основным ее преимуществом перед классическими жесткими вариантами является мобильность и варианции использования.

Традиционные кремниевые модули практически не имеют возможностей дальнейшего усовершенствования. Пленочные батареи, напротив, способны в разы увеличить свой КПД, стать еще более функциональными, дешевыми и абсолютно безопасными для окружающей среды.

Изготовление в домашних условиях

Для того чтобы готовая конструкция качественно выполняла свои функции и обеспечивала людей достаточным количеством электричества, необходимо правильно её изготовить. Для этого нужно учитывать много факторов и выбирать только высококачественные материалы.

Основные требования

Перед тем как своими руками сделать солнечную батарею, необходимо выполнить ряд подготовительных мероприятий и тщательно изучить все требования, предъявляемые к устройству. Это поможет получить работающую установку и упростить процесс её монтажа.

Чтобы солнечная панель работала на максимуме своих возможностей, необходимо соблюдать такие требования:

Готовое изделие отличается повышенной хрупкостью, поэтому его нужно защитить специальным каркасом.
Размер конструкции зависит от количества необходимой электроэнергии. При этом следует учитывать, что увеличение количества проводников приведёт к повышению массы батареи.
В корпусе устройства должны быть предусмотрены боковые бортики небольшой величины. Всё это нужно для того, чтобы отбрасываемая ими тень закрывала минимальное рабочее пространство батареи.
Конструкция устанавливается на открытом воздухе, поэтому будет подвергаться постоянному воздействию атмосферных явлений. Из-за этого внутренняя и внешняя часть корпуса должна быть покрыта качественной влагостойкой краской.
В каркасе необходимо предусмотреть место для изготовления подложки.
В нижней части панели нужно сделать небольшие отверстия для вентиляции. С их помощью будет выводиться газ, который образовывается в процессе работы батареи.

Материалы и инструменты

Наиболее важными деталями устройства считаются фотоэлементы. Производители предлагают покупателям только 2 их разновидности: из монокристаллического (КПД до 13%) и поликристаллического кремния (КПД до 9%).

Для изготовления панели понадобятся такие материалы и инструменты:

набор фотоэлементов;
крепёжные детали (метизы);
вакуумные подставки из силикона;
медные провода, способные работать при большой мощности;
алюминиевые уголки;
диоды Шоттки;
паяльное оборудование;
набор винтов;
прозрачный лист из плексигласа или поликарбоната.

Порядок действий

Для того чтобы сделать солнечные батареи своими руками в домашних условиях, необходимо соблюдать последовательность действий. Только в этом случае можно избежать ошибок и добиться желаемого результата.

Процесс изготовления панели прост и состоит из следующих этапов:

Берётся набор поли- или монокристаллических фотоэлементов и детали собираются в общую конструкцию. Их количество определяется исходя из требований владельцев дома. На фотоэлементы наносятся контуры, образующиеся из олова припаянные проводники. Эта операция выполняется на ровной стеклянной поверхности при помощи паяльника. По заранее подготовленной электрической схеме соединяются друг с другом все ячейки. При этом обязательно нужно подключить шунтирующие диоды. Идеальным вариантом для солнечной батареи будет использование диодов Шоттки, предотвращающих разрядку панели в ночное время. Конструкция из ячеек перемещается на открытое пространство и тестируется на работоспособность. При отсутствии каких-либо проблем можно начинать сборку каркаса. Для этих целей используются специальные уголки из алюминия, которые крепятся к элементам корпуса при помощи метизов. На внутренние части реек наносится и равномерно распределяется тонкий слой силиконового герметика. Поверх него кладётся лист из плексигласа или поликарбоната и плотно прижимается к контуру рамы. Конструкция оставляется на несколько часов для полного высыхания силиконового герметика. Как только этот процесс завершился, прозрачный лист дополнительно крепится к корпусу при помощи метизов. Вдоль всей внутренней части получившейся поверхности помещаются выбранные фотоэлементы с проводниками

При этом важно оставлять небольшое расстояние (примерно 5 миллиметров) между соседними ячейками. Для упрощения этой процедуры можно заранее нанести необходимую разметку

Установленные ячейки надёжно фиксируются на раме с помощью монтажного силикона, а панель полностью герметизируется

Всё это поможет увеличить срок работы солнечной батареи. Изделие оставляется для высыхания нанесённой смеси и приобретает свой окончательный вид.

Сфера применения

Поскольку это легкая и часто портативная модель, ее часто устанавливают в электромобили и дроны.
Берут с собой в походы. С ее помощью можно легко согреться, просто прикрепив на одежду или к рюкзаку.
Благодаря тому, что гибкая панель может повторить любую форму, она легко крепится на черепице крыши или шифере. Это идеальный вариант для малогабаритного охотничьего домика и палатки. Прикрепляется она просто и легко. Как правило, лучшим фиксатором служит двухсторонний скотч или специальный герметик.

Итак, гибкие панели — неплохой альтернативный источник энергии, который уже нашел применение в определенных областях. Технологии их изготовления еще находятся в процессе совершенствования. По этой причине на приемлемую цену таких элементов пока рассчитывать не приходится. Вероятнее всего, снижение их стоимости произойдет уже в ближайшем будущем, когда производство расширится и они станут более доступными для приобретения.

Мнения экспертов о продукции

Выбор типа солнечной станции зависит от задачи, которую необходимо решить с помощью альтернативных источников энергии.

В настоящее время наиболее широко применяются три типа солнечных электростанций:

Автономные. В местах, где нет подключения к центральной сети, в садах, на дачах, автономные солнечные электростанции самые востребованные, хорошо подходят для освещения и других жизненно важных электроприборов. Применение автономных солнечных станций позволяет существенно экономить финансы, на жидкое топливо для генераторов, особенно в районах с большим количеством солнечных дней.
Комбинированные с сетью. Если есть центральная сеть, то не нужно отказываться от нее, лучше сделать систему совместную с сетью. Автоматическая работа инвертора, входящего в состав такой станции, будет самостоятельно выбирать источник питания электрических приборов. А входящие в состав аккумуляторные батареи будут источником резервного электроснабжения, при отключениях сети.
Сетевые on-grid. Сетевые солнечные электростанции самые выгодные и быстро окупаемые, поскольку не имеют в составе аккумуляторных батарей и преобразование энергии происходит с высоким КПД. Более того, позволяют передавать (продавать) излишки генерируемой электроэнергии в сеть, тем самым ускоряя процесс окупаемости. Во многих странах при такой генерации с помощью возобновляемых источников для продажи электроэнергии действует «зеленый тариф». В РФ в 2019 году принят в первом чтении Федеральный закон №581324-7 «О внесении изменений в ФЗ «Об электроэнергетике» в части развития микрогенерации», который позволит реализовывать электрическую энергию, вырабатываемую альтернативными источниками, по специальному тарифу. Покупка гарантирующим поставщиком электроэнергии от объектов микрогенерации будет обязательной. Цена купли-продажи будет равна средневзвешенной нерегулируемой цене на электроэнергию на ОРЭМ. Доходы физических лиц, возникшие при реализации лишней электроэнергии, произведенной для нужд своего домохозяйства, не будут подлежать налогообложению.

Независимо от выбранного типа солнечной электростанции, стоит понимать, что для надежной и эффективной работы лучше приобретать высококачественные солнечные батареи. Несмотря на более высокую стоимость они более эффективны и долговечны. Срок службы батарей может достигать 30 и более лет. Покупатели часто задают вопрос: «Почему выработка зимой меньше?» Не нужно думать, что из-за холода батарея будет хуже работать. Негативное действие на эффективность работы оказывают осадки в виде снега, которые необходимо удалять, плюс меньшая продолжительность светового дня с высокой облачностью – именно это негативно влияет на выработку электроэнергии в зимнее время. Летом солнечная батарея генерирует меньшее напряжение, чем зимой. В жару температура на поверхности гелиопанели может достигать 50–55 °С, что снижает эффективность фотогальванических элементов.

Как установить солнечную электростанцию.

Чтобы солнечная электростанция 30 кВт для дома могла работать на полную мощность, необходимо позаботиться о правильном ее подключении. Установить прибор можно на крыше, заборе или любой другой возвышенности, которую не заслоняют высокие деревья. В тех случаях, когда станция не получает достаточного количества солнечной энергии, она не может вырабатывать необходимое количество электричества. Кроме того, недостаток солнечного света может привести к поломке установки. Поэтому каждый элемент солнечной станции должен быть повернут в сторону солнца. Только при таком условии, поток лучей на батареи будет достаточным.

Устанавливая станцию, также следует учитывать угол ее наклона. Для нашего региона он должен составлять 35°. В течение года угол наклона панелей будет требовать коррекции: +12° летом и -12° зимой. Чтобы получить более точные результаты, можно воспользоваться специальным онлайн калькулятором.

При правильном расположении станции, осуществлять ее техническое обслуживание и очищать прибор от пыли и снега будет гораздо проще. Запыленность поверхности солнечного фотоэлектрического модуля является одной из важнейших проблем для владельцев солнечных электростанций. Из-за осевшей пыли, грязи, опавших листьев, птичьего помета и других загрязнений уровень попадания солнечного света на фотоэлементы значительно уменьшается. Это является причиной снижения производительности станции. Исходя из расчетов, всего 4 кубических сантиметра пыли, которые равномерно распределены на 1 м2 солнечной батареи, снижают выработку электричества на 40 %.

Однако эта проблема решается достаточно легко — при длительном отсутствии дождя, солнечные батареи необходимо полить водой из шланга. Данное действие достаточно выполнить несколько раз на протяжении засушливого лета, чтобы проблема запыленности солнечных батарей больше не беспокоила. В тех случаях, когда причиной запыленности являются интенсивное движение транспортных средств, строительные работы или сельскохозяйственная деятельность, операцию с поливом следует проводить немного чаще.

Плюсы и минусы альтернативной отопительной системы

Достоинств у солнечной системы обогрева не так много, но каждое из них весомо и может стать причиной для частных экспериментов:

Экологические достоинства. Это безопасный для жильцов дома и окружающей природы, чистый источник тепла, не требующий применения традиционных видов топлива.
Автономность. Владельцы систем абсолютно не зависят от цен на энергоносители и от экономической обстановки в стране.
Экономичность. При сохранении традиционной отопительной системы появляется возможность снизить затраты на оплату горячего водоснабжения.
Общедоступность. Для установки солнечных систем не нужно разрешения из государственных инстанций.

Но существует и неприятные моменты, способные испортить общую картину. Например, для определения эффективности работы системы потребуется продолжительный период – не менее 3 лет (при условии, что солнечной энергии достаточно и она используется активно).

Установка только солнечных модулей потребует больших вложений: самые дешевые кремниевые панели обойдутся не менее 2200 руб. за штуку, а поликристаллические шестидиодные элементы первой категории – до 17000 за штуку. Подсчитать стоимость 30 модулей довольно просто (+)

Пользователи отмечают следующие недостатки:

высокие цены на оборудование, необходимое для запуска системы в эксплуатацию;
прямая зависимость количества произведенного тепла от географического положения и погоды;
обязательное наличие резервного источника, например, газового котла (на практике зачастую резервной оказывается гелиосистема).

Чтобы добиться большей отдачи, приходится регулярно следить за исправностью коллекторов, очищать их от мусора и беречь от образования наледи в заморозки. Если температура часто опускается ниже отметки 0ºС, нужно позаботиться о дополнительной теплоизоляции не только элементов гелиосистемы, но и дома в целом.

Виды солнечных батарей

Сила тока, сгенерированная световой панелью, зависит от ряда факторов. Это освещенность, от нее зависит количество работающих фотонов.

Монокристаллическая солнечная батарея

Площадь поверхности, чем она больше, тем больше поглощенной энергии. Коэффициент полезного действия – очень важная величина, и зависит она от свойств кристаллов, используемых в панели. В продаже имеются солнечные панели на основе:

монокристаллического
поликристаллического
аморфного кремния

Поликристаллическая солнечная батарея

Различить их можно по внешнему виду. Монокристаллические панели почти черные, поликристаллические синеватые. Панели из аморфного кремния серые, и очень тонкие, их можно согнуть.

Коэффициент поглощения пластин из монокристаллического кремния заметно выше, чем у других. На практике заявленных 20% КПД даже они практически никогда не имеют. Поликристаллические панели выдают около 10% мощности. Пластины на основе аморфного кремния не только имеют самый низкий коэффициент фотоэлектрического преобразования, но и быстро теряют его в силу высокой чувствительности тонкого слоя кремния к выгоранию.

Солнечная батарея на основе аморфного кремния

Их использование целесообразно лишь в районах, где преобладает пасмурная погода, в этих условиях они демонстрируют лучшие показатели, чем другие виды солнечных панелей.

Плюсы и минусы солнечных батарей

Солнечная батарея обладает своими преимуществами и недостатками. Рассмотрим их более подробно.

Плюсы:

Высокая экологичность. При эксплуатации не используются невосполнимые ископаемые, не возникает отходов.
Отсутствие шума.
Доступность. Каждый уголок Земного шара освещается Солнцем.
Постоянство. Если ископаемые могут закончиться, их выработка уменьшиться, то наcчет солнечной энергии беспокоиться не стоит. По данным ученых, нашему светилу еще долго ничего не грозит.
Обширная область использования. Панели могут применяться как в сельской местности, так и в космосе.
Новые технологии. На солнечных батареях проводят испытания, на их усовершенствование тратятся громадные суммы, данная область постоянно модернизируется, подвергается инновациям.

Минусы:

Дороговизна. Не каждый человек может позволить себе установить достаточное количество солнечных элементов питания для обеспечения своих нужд. Электрификация небольшого дачного домика обойдется в 1000-1200 долларов, в то время как на двухэтажных особняк может уйти до 10 000 у.е.
Солнечное освещение – непостоянная единица. КПД батареи будет снижаться в ночное время, пасмурную погоду.

Принцип работы солнечной батареи

Система работает посредством фотоэлектрических преобразователей, которые соединяются в определенной последовательности. Каждый фотопреобразователь состоит из двух кремниевых пластин, которые отличаются типом проводности. Одна покрыта фосфором, в результате чего здесь происходит образование избытка отрицательно заряженных электронов. Другая пластина покрыта бором, что приводит к образованию, отсутствующих в слое отрицательных зарядов, частиц, так называемых «дырок».

Принцип работы неисчерпаемого источника альтернативной энергии заключается в следующем: солнечный свет попадает на отрицательно заряженную панель, что приводит к активному образованию дополнительных «дырок» и электронов. На панели, покрытой фосфором, присутствует электрическое поле, благодаря которому появляется разность потенциалов. Положительно заряженные частицы устремляются в верхний слой, а отрицательно заряженные направляются в нижний. Создается постоянное напряжение. Получается, что один преобразователь работает как батарейка. В цепи возникает постоянный ток, когда к нему присоединяется нагрузка. Каждая батарея покрыта тонкими медными жилками, отводящими ток и направляющими его по назначению.

Сила тока зависит от определенных параметров:

размера фотопреобразователя;
уровня инсоляции;
типа фотоэлемента;
общего сопротивления приборов, которые подключены к солнечной панели.

Схема подключения и работы солнечной станции

Применение гибких солнечных батарей

Способы использования солнечной энергии

Расчет потребляемой энергии и окупаемости

Сферы применения