Солнечная энергия – начало
Как бы банально это не звучало, но будущее именно за использованием солнечной энергии. Ученые подсчитали, что человечество нуждается в десяти миллиардах тонн топлива ежегодно. Солнце же поставляет около ста триллионов тонн. Но как их получить?
Солнечная батарея – вот выход. Точкой отсчета в развитии этой технологии считается 1839 год, когда А.Э. Беккерелем был открыт фотогальванический эффект – преобразование солнечной энергии в электрическую. Первый модуль для превращения энергии солнца был создан в 1883 году Ч. Фриттсом. Он использовал сочетание селена с золотом. КПД, правда, составлял лишь около 1%. Но это было только начало.
Экономическая эффективность
Схема солнечного коллектора.
Важное положение при использовании этого источника – экономическая выгода. Она напрямую зависит от мощности батареи и площади фотоэлектрических элементов, которые воспринимают лучи
Если взять для примера такой город, как Москва, то можно получить следующие интересные данные. Если мощность устройства составляет 800 Вт, то она позволяет ограниченно пользоваться бытовыми приборами, но не сможет обеспечить бесперебойную подачу электричества в течение суток для обогрева помещений.
При мощности устройства в 10 раз больше, то есть 8 кВт, оно позволит обогревать небольшие по площади помещения дома в осеннее и зимнее время. Весной же возможен полноценный обогрев всех помещений.
Устройство с мощностью 13,5 кВт практически полностью заменяет электричество, что может обеспечить постоянный обогрев дома во все месяцы года, за исключением ноября, декабря и января. В этом случае можно основные приборы оставить работать от солнечных аппаратов, а отопление подключить к центральной системе. Так можно прилично сэкономить. Самыми мощными генераторами являются те, которые имеют мощность 31,5 кВт. Они позволят полностью отказаться от основных видов энергообеспечения и использовать только энергию солнца на протяжении всего года длительное время. Но стоят такие аппараты дорого, что ограничивает их применение.
Перспективы развития солнечной энергетики
Солнечная энергетика является одним из наиболее перспективных источников возобновляемой энергии. В будущем, ожидается, что она будет развиваться в нескольких направлениях.
Улучшение технологий хранения энергии. Солнечная энергия является переменной, и хранение ее становится все более важным. Будущие исследования могут привести к созданию новых технологий для хранения солнечной энергии в более эффективной форме, такой как уменьшение затрат на батареи.
Развитие солнечных ферм. Солнечные фермы представляют собой большие массивы солнечных панелей, которые используются для производства электроэнергии. С развитием технологий и улучшением экономической эффективности, ожидается, что число солнечных ферм будет расти, а общая мощность – увеличиваться.
Установка солнечных панелей в домах и офисах. Солнечные панели уже стали доступными для индивидуальных потребителей, и в будущем, ожидается, что их использование будет расти. В домах и офисах солнечные панели могут быть установлены на крышах или стенах, чтобы генерировать электричество для локального использования.
Интеграция солнечной энергии в сеть. Системы солнечной энергии уже используются для подключения к электросети, однако в будущем они могут стать более интегрированными. Например, солнечная энергия может использоваться для создания умных сетей (smart grid), которые могут управлять потреблением электричества и оптимизировать работу системы.
Развитие технологий утилизации солнечной энергии для других целей, например, для производства водорода, который может быть использован в качестве топлива для автомобилей и даже кораблей.
Развитие гибридных систем, которые сочетают в себе несколько источников возобновляемой энергии, таких как солнечная и ветровая энергия, для увеличения надежности энергоснабжения.
В целом, солнечная энергетика имеет большой потенциал для будущего развития и может стать ключевым элементом в переходе к более экологически чистому будущему.
На что обращать внимание при выборе солнечных панелей
По той причине, что применение энергии Солнца еще не стало привычным делом, выбор самых лучших солнечных панелей может быть непростым
Для того, чтобы успешно выбрать панель, потребуется обратить внимание на такие параметры:
- Компания-производитель. Нужно узнать о сроке, в течение которого она представлена на рынке товара, и объемах выпускаемого товара. Чем дольше он представляет данную отрасль, тем большей может быть степень доверия;
- Область применения. Для каких целей планируется использовать устройства. От этого будут зависеть такие параметры, как мощность и напряжение на выходе;
- Напряжение. Для того, чтобы зарядить небольшие приборы, достаточно 9В, смартфон или ноутбук – 12-19В, обеспечить энергией все системы дома – 24 в и выше;
- Мощность. Она рассчитывается за счет потребления всеми приборами в сутки, которое должна с запасом перекрывать.
- Качество фотоэлементов. Их 4 категории: Grad A, Grad B, Grad C, Grad D, из которых лучшей является первая; Срок службы панелей фотоэлементов составляет от 10 до 20 лет.
Из чего делают пленочные батареи?
Разработка пленочных батарей обусловлена:
- Потребностями в снижении стоимости солнечных батарей.
- Необходимостью в улучшении производительности и технических характеристик.
На основе CdTe
Исследования теллурида кадмия, как светопоглощающего материала для солнечных батарей начались еще в 70-х годах. В то время его рассматривали как один из оптимальных вариантов для использования в космосе, сегодня же батареи на основе CdTe являются одними из самых перспективных в земной солнечной энергетике. Так как кадмий является кумулятивным ядом, то дискуссии возникают лишь по одному вопросу: токсичен или нет? Но исследования показывают, что уровень кадмия, высвобождаемого в атмосферу, ничтожно мал, и опасаться его вреда не стоит. Значение КПД составляет порядка 11%. Согласитесь, цифра небольшая, зато стоимость ватта мощности таких батарей на 20-30% меньше, чем у кремниевых.
На основе селенида меди-индия
Как понятно из названия, в качестве полупроводников используются медь, индий и селен, иногда некоторые элементы индия замещают галлием. Такая практика объясняется тем, что большая часть производящегося на сегодня индия требуется для производства плоских мониторов. Именно поэтому с целью экономии индий замещают на галлий, который обладает схожими свойствами. Пленочные солнечные батареи на основе селенида меди-индия имеют КПД равный 15-20%. Следует иметь в виду, что без использования галлия эффективность солнечных батарей возрастает примерно на 14%.
На основе полимеров
- Низкая стоимость производства.
- Легкость и доступность.
- Отсутствие вредного воздействия на окружающую среду.
Применяются полимерные батареи в областях, где наибольшее значение имеет механическая эластичность и экологичность утилизации. В таблице 2 приведены обобщенные данные о КПД разных видов солнечных батарей.
Таблица 2
| КПД солнечных элементов, выпускаемых в производственных масштабах | |
| Моно | 17-22% |
| Поли | 12-18% |
| Аморфные | 5-6% |
| На основе теллурида кадмия | 10-12% |
| На основе селенида меди-индия | 15-20% |
| На основе полимеров | 5-6% |
Надеемся, что теперь Вы ясно представляете себе, из чего делают поли- и монокристаллические, пленочные, полимерные солнечные батареи и другие. Эта информация поможет Вам сделать правильный выбор при покупке солнечных модулей. Ведь система энергопотребления, основанная на солнечной энергии, является долговременной инвестицией. Переходя на альтернативные, в частности, солнечные источники энергии, Вы не только снижаете свои затраты на потребляемые энергоресурсы, но и делаете ощутимый вклад в чистоту окружающей нас среды.
Статью подготовила Абдуллина Регина
Виды солнечных батарей
Кроме размера и мощности, панели отличаются способом, которым изготавливаются из кремния отдельные элементы.
Элементы из монокристаллического кремния
Элементы солнечных батарей, изготовленные из монокристаллического кремния, имеют форму квадрата с закругленными углами. Это связано с технологией изготовления:
- из расплавленного кремния высокой степени очистки выращивается кристалл цилиндрической формы;
- после остывания у цилиндра обрезаются края, и основание из круга принимает форму квадрата с закругленными углами;
- получившийся брусок разрезается на пластины толщиной 0,3 мм;
- в пластины добавляются бор и фосфор и на них наклеиваются контактные полоски;
- из готовых элементов собирается ячейка батареи.
Готовая ячейка закрепляется на основании и закрывается стеклом, пропускающим ультрафиолетовые лучи или ламинируется.
Такие устройства отличаются самым высоким КПД и надежностью, поэтому устанавливаются в важных местах, например, в космических аппаратах.
Фотоэлементы из мульти-поликристаллического кремния
Кроме элементов из цельного кристалла, есть устройства, в которых фотоэлементы изготавливаются из поликристаллического кремния. Технология производства похожа. Основное отличие в том, что вместо кристалла круглой формы используется прямоугольный брусок, состоящий из большого количества мелких кристаллов различных форм и размеров. Поэтому элементы получаются прямоугольной или квадратной формы.
В качестве сырья берутся отходы производства микросхем и фотоэлементов. Это удешевляет готовое изделие, но ухудшает его качество. Такие устройства имеют меньший КПД – в среднем 18% против 20–22% у монокристаллических батарей. Однако вопрос выбора достаточно сложный. У разных производителей цена одного киловатт мощности монокристаллических и поликристаллических панелей может быть одинаковой или в пользу любого вида устройств.
Фотоэлементы из аморфного кремния
В последние годы распространение получили гибкие батареи, которые легче жестких. Технология их изготовления отличается от технологии изготовления моно- и поликристаллических панелей – на гибкую основу, обычно стальной лист, напыляются тонкие слои кремния с добавками до достижения необходимой толщины. После этого листы разрезаются, к ним приклеиваются токопроводящие полоски и вся конструкция ламинируется.
КПД таких батарей примерно в 2 раза меньше, чем у жестких конструкций, однако, они легче и более прочные за счет того, что их можно сгибать.
Такие приборы дороже обычных, но им нет альтернативы в походных условиях, когда основное значение имеет легкость и надежность. Панели можно нашить на палатку или рюкзак, и заряжать аккумуляторы во время движения. В сложенном виде такие устройства похожи на книгу или свернутый в рулон чертеж, который можно поместить в футляр, напоминающий тубус.
Кроме зарядки мобильных устройств в походе, гибкие панели устанавливаются в электромобилях и электросамолетах. На крыше такие приборы повторяют изгибы черепицы, а если в качестве основы использовать стекло, то оно приобретает вид тонированного и его можно вставить в окно дома или теплицу.
КПД солнечной энергии: хватит ли зарядить телефон
На самом деле у солнечных батарей КПД довольно низкий, и пока это непреодолимый барьер, несмотря на все усилия разработчиков. Солнечная панель площадью в 1 кв. метр производит всего 120 Вт энергии в самый солнечный день – этого достаточно только для зарядки смартфона.
А теперь составьте список всех электроприборов, которые вы рассчитываете использовать в своём доме, и сложите их потребляемую мощность. После расчёта останется только представить себе, есть ли у вас достаточная площадь для установки требуемого количества панелей.
ФОТО: eco-kotly.ruБуквально – хватит ли площади крыши, чтобы обеспечить питанием хотя бы холодильник и телевизор?
Ветроэнергетика в России
Размер российского ветроэнергетического рынка невелик и составляет менее 1% от мирового. Россия является единственной крупной экономикой мира, в которой ветроэнергетика только начинает делать первые шаги. Но есть и положительные тенденции — общая установленная мощность ВЭС в нашей стране составляет более 1 ГВт, причем за прошедший 2020 год ввели в эксплуатацию ряд новых ветроэнергетических установок общей мощностью 700 МВт.
Самые крупные ВЭС — Кочубеевская ВЭС мощностью 210 МВт в Ставропольском крае и Адыгейская ВЭС мощность 150 МВт. Обе ветроэлектростанции были построены при помощи дочерней компании «Росатома».
Зеленая экономика
Анатолий Чубайс — о потенциале зеленой энергетики в России
Типы
Классификация промышленных панелей солнечных происходит по типу рабочего слоя и конструктивным особенностям. Различают панели жесткие и гибкие.
Последние занимают все более широкую нишу благодаря универсальной установке: он и легко устанавливаются на любые поверхности, в том числе на вертикальны – фасады зданий. При этом они совершенно не портят архитектуру, а напротив привносят в не некую изюминку.
По типу фотоэлектрического слоя их подразделяют на:
- кремниевые. К ним относятся поли — , монокристаллические и аморфные;
- теллурий-кадмиевые. Их собирают на основе индия, меди и галлия;
- полимерные;
- органические;
- с использованием арсенида галлия;
- комбинированные и многослойные.
Не все перечисленные виды интересны потребителю, а лишь кристаллические, несмотря на то, что их КПД ниже некоторых других (правда, более дорогих, отчего и менее распространенных).
Как выполнятся монтаж
Выбирают место, где будут фиксироваться панели. Оценивают факторы:
- тень: следует найти наиболее ярко освещаемый на протяжении всего дня участок;
- ориентация по сторонам света: если объект расположен на севере, модуль располагают лицевой панелью к югу и, наоборот;
- угол наклона: он должен соответствовать широте, в которой находится объект (в зависимости от положения относительно экватора осуществляется коррекция 12°).
Крепить панели можно на крыше дома или при помощи специальных ферм. В первом случае достаточно зафиксировать профили. К ним уже крепят модули при помощи болтового соединения. Когда же солнечные батареи монтируются на специальных конструкциях (фермах), этапы работ будут отличаться:
- Выполняется сборка профилей, уголков.
- Подготавливают болты нужного размера, инструмент.
- Фиксируют панели так, чтобы не было люфта между ними и опорной конструкцией.
Подключение электроники предполагает необходимость присоединения батареи посредством проводов. Соединяют контроллер, инвертор согласно схеме. На последнем этапе вся конструкция подключается к потребителю (обслуживаемому объекту).
Мощность и ВАХ
Схема работы системы на солнечных батареях. (Для увеличения нажмите)
Напрямую от количества фотоэлементов, а также от того, сколько панелей соединены в цепь для зарядки накопителя, зависит их мощность и вольт – амперные характеристики (ВАХ). По мере того как заряжается аккумулятор от солнечной панели, его напряжение растет, соответственно мощность, выдаваемая панелью должна быть максимальной для полной зарядки.
КПД панели увеличивается благодаря точке максимальной мощности, а эта мощность зависит от цепи панелей. Соответственно, если напряжение панели выдается в 12В, то для полной зарядки носителя в 24В потребуется вдвое больше подключаемых панелей.
То есть, если две панели выдают 12В, то их будет недостаточно, а их количество должно увеличиться вдвое. Стоит помнить, что максимальная зарядка происходит при температуре в 25°С. Соответственно, если панели используются в зимнее время, то их количество должно быть намного больше.
Мировой тренд
Возобновляемая энергетика в целом и солнечная энергетика в частности — одна из немногих отраслей, на темпах развития которой не сказались ни пандемия, ни экономическая турбулентность, ни разрывы цепочек поставок. В прошлом году был побит очередной рекорд по вводу солнечной генерации в мире — установлено еще 240 ГВт солнечных электростанций, а их суммарная установленная мощность превысила 1 ТВт.
В 2021 году доля возобновляемой энергетики 10%, но уже превышала долю атомной, а в 2022 году доля ветровой и солнечной энергетики достигла рекордных 12% мирового производства электроэнергии.
Согласно отчету Международного энергетического агентства, с марта 2020 года 67 стран выделили на возобновляемую энергию до $1,215 трлн. 45% из этих средств выделили США, а 37% потратили страны ЕС. При этом к 2030 году глобальные инвестиции в чистую энергию вырастут еще на 50% — до более чем $2 трлн.
В чем причина такого бурного роста? В рекордной «скорости обучения технологий». ВИЭ отличаются от ископаемого топлива тем, что их себестоимость следует экспоненциальной «кривой обучения». У «зеленых» станций практически нет расходов на эксплуатацию, они не подвержены топливной инфляции, то есть их цена зависит исключительно от стоимости технологий. По мере развития и масштабирования производств оборудования сначала был достигнут так называемый сетевой паритет, а уже к 2017 году инвестиционный банк Lazard назвал ветровую и солнечную энергетику самыми дешевыми технологиями генерации электроэнергии. Речь шла о стоимости строительства новой электростанции, но уже в докладе 2023 года стоимость кВт⋅ч некоторых проектов ветровой и солнечной энергетики стала сопоставима с предельными издержками даже «традиционных» электростанций.
Зеленая экономика
Дорого и тяжело: зачем Европе солнечная батарея в космосе
Солнечная энергетика в России
На сегодняшний день в нашей стране уже построено около 1,2 ГВт солнечных электростанций.
Уровень инсоляции варьируется от 810 кВт*час / кв. м в год в отдаленных северных районах до 1400 кВт*час / кв. м в год в южных районах, в Сибири и на Дальнем Востоке.
Московская и Ленинградская области имеют репутацию пасмурных регионов. Однако выработка энергии там составляет порядка 1000 кВт*ч на кВт установленной мощности солнечной генерации в год. Это ниже, чем в других, более благоприятных для развития отрасли регионах России, но сопоставимо с показателями, например, Германии, которая входит в пятерку мировых лидеров по установленной мощности солнечной генерации.
«С точки зрения окупаемости, Санкт-Петербург и Ленинградская область считаются более выгодными для использования электроэнергии от солнечных установок. В регионе достаточно высокие тарифы для юридических лиц, представителей малого и среднего бизнеса – до 10 рублей за кВт*ч, что позволяет быстро окупить вложения в солнечную генерацию и начать экономить на электроэнергии», — комментирует Усачев.
Среди всех секторов ВИЭ солнечная энергетика наиболее развита в России, говорит Сергей Пикин, директор Фонда энергетического развития. Он связывает это с тем, что в стране есть как минимум два поставщика оборудования с собственными разработками. И благодаря наличию конкуренции и развитию отрасли в целом стоимость выработки солнечной энергии значительно снизилась за последние несколько лет, причем по всему миру.
Однако даже этого пока что недостаточно для прорывного развития солнечной энергетики в России, считает Пикин. По установленным мощностям этот способ выработки энергии занимает всего 1-2 %, а по выработке энергии и вовсе стремится к нулю из-за технических перебоев.
- По словам директора фонда, ВИЭ для России — это прежде всего развитие энергомашиностроительного комплекса с прицелом на будущее для внутреннего рынка. «На экспортных рынках нас особо нигде не ждут, потому что Китай производит самое дешевое (на данный момент) оборудование».
- Более того, отмечает эксперт, сами по себе ВИЭ как способ получения энергии у нас в стране не очень актуальны, потому что в России наблюдается переизбыток энергетических мощностей, которые к тому же многократно дешевле солнечной или любой другой «зеленой» энергетики.
- Наконец, есть вероятность, что с 2025 года финансирование программы поддержки ВИЭ будет урезано вдвое: с 400 до 200 млрд рублей. Об этом, согласно источникам «Ведомостей», заявил глава Минэкономразвития Максим Решетников на совещании 17 октября этого года.
Против этих нововведений выступили крупнейшие компании-популяризаторы «зеленой энергетики» в России: «Роснано» и ГК «Ренова», владеющая долей в «Хевеле».
Татьяна Андреева, проектный менеджер немецкой компании eclareon GmbH, консультирующей по вопросам возобновляемой энергетики, напротив, дает оптимистичный прогноз. Она считает, что отрасль сделала огромный шаг за последние четыре года.
«Это, несомненно, большое достижение и показатель как успешности работы схем поддержки ВИЭ в России, так и повышающейся заинтересованности большого бизнеса и инвесторов в таких проектах. Стоит учесть, что в официальную статистику не попадают частные фотоэлектрические станции, а ведь их совокупная установленная мощность может исчисляться десятками мегаватт. Туда входят и мелкие частные системы по 1-5 кВт, и более мощные электростанции по несколько десятков киловатт».
Особенно, уточняет Андреева, солнечная энергетика привлекательна для инвесторов и муниципалитета в удаленных регионах и изолированных от ЕЭС России областях, где генерация энергии традиционно осуществляется посредством дизельных генераторов.
Так, например, в 2013 году была запущена первая в России автономная дизель-солнечная электростанция мощностью 100 кВт в селе Яйлю Турочакского района Республики Алтай. В таких проектах, по мнению Антона Усачева, солнечные электростанции окупаются за счет экономии на дизельном топливе и логистических расходах.
Типы фотоэлектрических преобразователей
В промышленности существует классификация солнечных батарей по типу устройства и применяемого фотоэлектрического слоя.
По устройству делятся на:
- панели из гибких элементов, они же гибкие;
- панели из жестких элементов.
При развертывании панелей чаще всего используются гибкие тонкоплёночные. Они укладываются на поверхность, игнорируя некоторые неровные элементы, что делает данный тип устройства — более универсальным.
По типу фотоэлектрического слоя для последующего преобразования энергии панели делятся на:
- Кремниевые (монокристалл, поликристалл, аморфные).
- Теллурий–кадмиевые.
- Полимерные.
- Органические.
- Арсенида–галлиевые.
- Селенид индия– меди– галлиевые.
Хотя разновидностей множество, львиную долю в потребительском обороте имеют кремниевые и теллурий–кадмиевые солнечные панели. Эти два типа выбирают из–за соотношения кпд/цена.
Общие черты
Все разновидности солнечных батарей имеют одинаковый принцип работы. В полупроводниковой пластине солнечной панели на атомном уровне имеется 2 слоя:
- N, атомы которого имеют лишние электроны;
- P, где у атомов не достает электронов.
Свет источника ускоряет процесс отсоединения свободных электронов в первом слое. Затем они перемещаются во второй. Между слоями находится проводник, в котором таким образом возникает электрический ток. Сила тока находится в прямой зависимости от типа полупроводников. Ассортимент сырья и методов для изготовления источника питания не ограничен.
Однако важно помнить, что все батареи делаются из кремния или пленки. Они имеют ряд подвидов и свои тонкости в применении. С фото солнечной панели вы можете ознакомиться на нашем сайте
С фото солнечной панели вы можете ознакомиться на нашем сайте.
Выводы и полезное видео по теме
Представленные видеоролики показывают работу различных солнечных панелей в реальных условиях. Также они помогут разобраться в вопросах выбора сопутствующего оборудования.
Правила выбора солнечных панелей и сопутствующего оборудования:
Виды солнечных панелей:
Тестирование монокристаллической и поликристаллической панелей:
Для населения и небольших промышленных объектов реальной альтернативы кристаллическим кремниевым панелям пока что нет. Но темпы разработки новых типов солнечных батарей позволяют надеяться, что в ближайшие десятилетия энергия солнца станет главным источником электроэнергии во многих загородных домах и дачах.
