Современный дачный электрик

Пестриков Виктор Михайлович

На рис. 2.30 приведено среднегодовое распределение ресурсов энергии солнечной радиации, поступающей в среднем за день на 1 м2 площадки южной ориентации с оптимальным углом наклона к горизонту (для каждой географической точки это свой угол, при котором суммарное за год поступление энергии солнечной радиации на единичную площадку максимально). Как видно из карты, наиболее «солнечными» являются не районы Северного Кавказа, как предполагают многие, а регионы Приморья и юга Сибири (от 4,5 до 5,0 кВт ч/м2 в день). Интересно, что Северный Кавказ, включая известные российские черноморские курорты (Сочи и др.) по среднегодовому поступлению солнечной радиации относятся к той же зоне, что и большая часть Сибири, включая Якутию (4,0–4,5 кВт·ч/м2 в день).

Более 60 % территории России, в том числе и многие северные районы, характеризуются среднегодовым поступлением от 3,5 до 4,5 кВт·ч/м2 в день. Все это говорит о перспективности применения солнечных батарей для снабжения электроэнергией загородных домов.

2.8.2. Принцип действия

Солнечная батарея, как известно, представляет собой установку для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. В коммерческих целях солнечная батарея в виде фотоэлектрического элемента на основе монокристалла кремния была использована в 1952 году в лаборатории «Белл» для электропитания телефонной станции [26].

Современная солнечная батарея состоит из нескольких фотоэлектрических солнечных модулей. Основной материал для изготовления фотоэлектрических элементов – кремний. Кремний с примесью фосфора относится к полупроводнику типа п, с примесью бора – типа p. Когда в зону соприкосновения двух полупроводников попадает солнечная радиация, создается электродвижущая сила, которая может перемещать электрический ток во внешнем контуре, подключенном к n– и p-областям (рис. 2.31).

Рис. 2.31. Устройство и принцип действия кремниевого фотоэлектрического элемента

Солнечный модуль состоит из нескольких пластин монокристаллического кремния, закрепленных на каркасе и покрытых специальным стеклом. Элементы модуля, соединенные электрически, являются базовой основой солнечных модулей. Модули способны вырабатывать электрическую энергию, необходимую для питания бытовых электроустройств, а также могут быть использованы как базовые элементы больших энергосистем.

В зависимости от предназначения солнечные модули могут иметь различные конструктивные решения и разные выходные мощности. Например, компания "ЛМВ ветроэнергетика" выпускает три серии солнечных модулей:

• солнечные модули в алюминиевом каркасе – серия MSW, 32 типа в диапазоне мощностей от 3 до 120 Вт;

• бескаркасные солнечные модули – серия "Лира", 16 типов в диапазоне мощностей от 1,7 до 24 Вт;

• солнечные модули на металле – серия MSWm, 16 типов в диапазоне мощностей от 1,7 до 24 Вт.

При подсоединении в параллельные или последовательные цепи большого количества фотоэлементов можно получить приемлемые значения напряжения и силы тока, несмотря на относительно небольшой КПД, не превышающий 24 %. Солнечные модули из отдельных полупроводниковых кремниевых элементов размещают обычно на крыше жилого дома. Толщина пластинки кремния не превышает 0,2–0,3 мм. При покупке солнечного модуля необходимо знать, что 1 м2 пластинки кремниевого элемента дает напряжение 0,5 В, если нагрузка составляет 1 кВт м2. Средний КПД солнечной батареи около 14 %, а срок службы 25 лет. К достоинствам солнечных панелей можно отнести механическую простоту (отсутствие движущихся частей), бесшумность и отсутствие загрязнения окружающей среды. Солнечные энергетические установки бывают двух видов: установки автономного энергоснабжения и установки, отдающие излишки генерации в центральную сеть. В последнем случае можно накапливать электроэнергию в аккумуляторных батареях и через инвертор преобразовывать в напряжение 220 В для подключения стандартных бытовых приборов.

2.8.3. Система электроснабжения на солнечных батареях

При

создании системы электроснабжения на солнечных батареях для загородного дома, как и в случае с ветроэнергетическими установками, возможны различные варианты. Одна схема автономного электроснабжения может быть построена с наличием низковольтной сети постоянного тока с напряжением 12 В для освещения (рис. 2.32). При этом загородный дом оборудуется для освещения энергосберегающими лампами 12 В, а для питания бытовой техники на 220 В используется инвертор, подключенный к аккумулятору. Цена энергосберегающих ламп ELS NAPS мощностью 5 Вт на напряжение 12 В (рис. 2.33) составляет 650 руб. [27].

Рис. 2.32. Автономная система электроснабжения на солнечных батареях с низковольтной сетью для освещения

Рис. 2.33. Энергосберегающие лампы ELS NAPS (5 Вт, 12 В)

Обычно такие системы применяются, если максимальное расстояние от аккумулятора до самой дальней подключенной нагрузки не превышает 10–15 м, а ее мощность не более 100 Вт. При этом нужно следить за тем, чтобы падение напряжения при всех включенных потребителях в самой дальней точке было в пределах допустимого (обычно не более 10 %).

Дальнейшее развитие схемы – введение в нее контроллера и отказ от низковольтной сети освещения – иллюстрирует рис. 2.34. Контроллер заряда служит для предохранения аккумуляторов от избыточной подзарядки солнечной батареей, а также от избыточной разрядки в ходе ее использования. Так как все это отрицательно влияет на функциональность и сокращает срок службы оборудования. При такой схеме производимая электроэнергия аккумулируется в батареях и расходуется затем в темное время суток или в период слабой инсоляции.

Рис. 2.34. Автономное обеспечение электроэнергией загородного дома от солнечных модулей и аккумуляторов

Система данного типа требует, чтобы фотоэлектрическое поле имело размеры, обеспечивающие в период нормальной инсоляции как непосредственно нагрузку рабочего электрического контура, так и подзарядку аккумуляторных батарей.

Если загородный дом подключен к сети централизованного электроснабжения, то желательно выбрать систему электроснабжения с фотоэлектрической установкой в качестве резерва (рис. 2.35). При отключении сети или недостаточном сетевом напряжении включается фотоэлектрическая установка. Малые резервные фотоэлектрические установки служат для электроснабжения наиболее важной нагрузки: освещение, компьютер и средства связи. Более крупные системы могут также снабжать энергией, например, холодильник. Чем больше мощность, необходимая для питания ответственной нагрузки, и чем дольше периоды отключения сети, тем большая мощность фотоэлектрической системы необходима.

Рис. 2.35. Автономное обеспечение загородного дома от солнечных модулей с возможностью переключения на центральную электрическую сеть

Устройство автоматического ввода резерва (АВР) позволяет переключить питание объекта при отсутствии солнечной энергии и полном разряде аккумуляторов на электросеть. Эта же схема может функционировать и наоборот: солнечный модуль служит резервным источником питания. В этом случае АВР переключается на аккумуляторные батареи при потере питания от электросети.