Солнечные электростанции

Популярность солнечных электростанций продолжает расти со стремительной скоростью. Каждый год их число увеличивается примерно на 20%. Широкое распространение электростанций, использующих энергию солнца, обусловлено их более высокой надежностью и эффективностью по сравнению со станциями, по старинке полагающимися на другие виды топлива.

Для того чтобы осознать все преимущества солнечной электростанции, нужно немного углубиться в ее изучение. Это также поможет понять причину повсеместного признания «солнечных фабрик», как крупными корпорациями, так и частными домовладельцами.

Солнечная электростанция: что это такое?

Термин «солнечная электростанция» (или СЭС) говорит сам за себя. Даже школьнику понятно, что это станция, которая вырабатывает электричество с помощью солнечной энергию. Говоря чуть более научным языком, это система, преобразующая электромагнитное излучение солнца в необходимую нам энергию.

Идея использования солнечной активности не нова. Еще в 19-м веке люди научились, например, использовать температурный перепад, образовывавшийся в герметично закрытой башне. Эта технология стала применяться сначала во Франции, на фермах, а затем и по всей Европе, и уже для самых разных целей.

Немного позднее был открыт еще один метод, заключающийся в образовании энергии за счет применения сложной системы зеркал. Зеркала располагали вокруг центральной башни с установленным на ней баком со специальным теплоносителем. Расположение зеркал было подчинено определенному принципу: все уловленные ими солнечные лучи фокусировались в итоге на баке, разогревая его до 200-700°C. В результате создавался пар, который и двигал лопатки турбин.

В наше время широко распространены электростанции, использующие фотоэлектрические солнечные панели и батареи. Эффективность таких модулей существенно превосходит эффективность других типов солнечных станций, а их теоретический КПД приближается к 80%. Размеры могут быть очень разными: от станций в виде громадных ферм до моделей карманного типа и миниатюрных, вживляемых под человеческую кожу модификаций.

Устройство солнечной электростанции

Станция, вырабатывающая энергию с помощью фотоэлектрических преобразователей, состоит из следующих компонентов.

Солнечная батарея

Это совокупность ячеек-полупроводников, размещенных на плоской поверхности и способных улавливать фотоны светила, преобразуя их в ток. Сверху панель защищена крепким стеклом, а по бокам – алюминиевой рамой (хотя, в последние годы научились обходиться без нее).

Модули крупных электростанций обычно соединены в группы. Соединение может быть параллельным, последовательным и смешанным. Использование разных видов соединений позволяет генерировать ток определенной мощности и плотности.

Сейчас существует множество различных видов СЭС. Очень популярны установки, проектируемые как для дома, так и для бизнеса. Модели, созданные для дома, состоят из нескольких десятков ячеек, но есть и более крупные модификации, где количество фотоэлементов исчисляется сотнями.

Солнечные элементы не однотипны. Они изготавливаются по различным технологиям, которые и определяют их тип. Среди основных типов фотоэлементов можно выделить поликристаллические, монокристаллические, пленочные, аморфные и гибридные.

Их краткая характеристика сводится к следующему:

1. Монокристаллические элементы (батареи), или Mono-Si. Для производства этих батарей используются чистые, практически беспримесные монокристаллы кремния, выращенные при 1300°C. Дороговизна технологии изготовления частично окупается высокими эксплуатационными характеристиками этого типа. При идеальной инсоляции эффективность таких панелей достигает 25%. Рекомендованы для установки на открытые земельные участки и южные скаты крыш.
2. Поликристаллические элементы, или Poli -Si. Производятся из поликристаллов, выращенных при менее затратных условиях. Поликристалл - это конгломерация разнородных по структуре кристалликов (кремниевых и других). Сравнительно недорогое производство поликристаллических батарей позволяет расширить спектр их применения. Они могут быть использованы в умеренном климате с более низким уровнем инсоляции. При неблагоприятных условиях (отсутствие солнца) КПД поликристаллических панелей падает, но не значительно.
3. Элементы классифицируют не только по составу (например, кремниевые, камидиевые или CIGS), но и по структуре материала. Батареи, созданные на основе теллуроида камидия, к примеру, относятся к группе тонкопленочных элементов. Для них характерна низкая чувствительность к углу наклона, перепаду температур и уровню освещенности.
4. К этой группе относятся элементы, изготовленные на основе CIGS – полупроводника, состоящего из галлия, индия, меди и селена. Использование этих дорогостоящих металлов оправдано их относительно высокой эффективностью, доходящей до 15%, что позволяет использовать батареи этого вида в аэрокосмической области.

Инверторы

Следующий важный компонент фото-электростанции – это инвертор, который

преобразует генерируемый солнечными батареями постоянный ток в переменный.

Инверторные преобразователи делятся на автономные, сетевые и гибридные.

• Автономные. Если планируется эксплуатация автономно работающей СЭС, то для ее успешного функционирования нужен автономный инвертор.
• Сетевые. Если электростанция работает в тандеме с централизованной сетью, сетевой инвертор поможет синхронизации станции и сети (по синусоиде тока и фазе).
• Гибридные инверторы используются на станциях гибридного типа, объединяющих автономный, сетевой и резервный режим.

Выбирая инвертор, следует обратить внимание не только на его мощность или величину выходного сигнала, но и на такие параметры как диапазон входного напряжения, присутствие вентилятора, и, конечно, его КПД.

Контроллер заряда

Это еще один немаловажный компонент солнечной электростанции, хотя используется он только на станциях с аккумуляторными батареями. Устройство помогает в накоплении зарядного тока на батарее.

Виды контроллеров

• Контроллер с технологией PWM заряжает солнечную батарею посредством импульсной модуляции. Чем лучше заряжен аккумулятор, тем меньше времени требуется батарее на подзарядку.
• MPPT-контроллеры используют другую технологию, основанную на отслеживании точки максимальной мощности. Это более дорогой, но и более эффективный принцип, позволяющий повысить КПД почти до 35%.
• Гибридные контроллеры. Особенность этого вида заключается в том, что это ветро-солнечное устройство, которое может контролировать заряд как солнечной панели, так и ветрогенератора.

При выборе контроллера нужно ориентироваться на такие характеристики электростанции, как ее суммарная мощность, цена и производительность.

Аккумуляторная батарея

Непрерывный характер работы СЭС осуществляется за счет аккумуляторной батареи, или АКБ. Если солнечной энергии много, в батарее накапливается избыток тока. Если же наоборот, мало, то энергия поступает снова в сеть. Выбор аккумулятора зависит от вашей конечной цели и, конечно, от ваших финансовых возможностей. Существуют следующие типы аккумуляторов:

Дополнительные устройства

Основная функция дополнительных, или периферийных компонентов солнечной электростанции заключается в том, что они объединяют все компоненты станции в единую систему.

К периферии обычно относят крепежные элементы и соединительные кабели (обычно с разъемом MC4). Но иногда к этой группе относят и комплектующие части к оборудованию станций, которые время от времени нуждаются в замене (например, электронные платы и блоки).

Периферийные элементы должны быть надежны, устойчивы к неблагоприятным условиям и долговечны.

Принцип работы

В основе работы солнечной станции лежит концепция фотоэлектрического эффекта, заключающаяся в следующем:

• Солнечная батарея улавливает поток фотонов
• Когда находящиеся на поверхности батареи полупроводниковые фотоэлементы поглощают конкретную длину волны, в ячейках образуются свободные электроны и электрическая проводимость.
• Это способствует образованию постоянного тока, который по токопроводящим дорожкам направляется в инвертор, где он преобразуется в переменный.

А теперь рассмотрим немного подробнее, как работает автономная, сетевая и гибридная станция.

• Работающая в автономном режиме станция полностью самодостаточна: она сама генерирует и сама контролирует распределение энергии. Одна ее часть уходит на питание всевозможных электроприборов и устройств, а другая хранится в АКБ, которая поддерживает бесперебойное потребление электроэнергии в темное время или при ненастье. Стоимость автономной станции определяется потребляемой мощностью. Если вы планируете СЭС для изредка посещаемой дачи, то всё, что вам нужно – это станция на 3-5 кВт. Если же вы хотите приобрести СЭС для частного дома, где вы постоянно живет, то здесь нужна будет электростанция на 10-20 кВт.
• Сетевая электростанция работает по несколько иному принципу. Хотя она и подключена к централизованной электросети, энергию от нее такая станция получает только когда испытывает в ней недостаток, например, ночью или в ненастную погоду. Панели сетевой станции начинают генерировать электроэнергию в дневное время суток, в погожую погоду. Если образуются излишки энергии, то они могут быть проданы государству по так называемому «зеленому тарифу». Вдобавок, сетевые электростанции отличаются очень высоким сроком эксплуатации (до 30 лет), поэтому инвестирование в них выгодно как компаниям, так и частным лицам.
• Гибридная электростанция, как было отмечено выше, сочетает в себе возможности автономного и сетевого режимов. Такая установка позволяет комплексно решить массу задач. Гибридная станция может работать и в сетевом, и в автономном, и в резервном режимах. Единственный ее недостаток–стоимость. Цена довольно высока, но это и понятно: гибридная станция представляет собой сложную систему, состоящую и из автономных, и из сетевых компонентов. Хотя дороговизна системы с лихвой окупается в процессе ее эксплуатации.

Мощность солнечной электростанции

При подборе подходящей электростанции необходимо подумать не только о её типе, но и о ее мощности. Чтобы не ошибиться при покупке, следует заранее правильно все рассчитать. В качестве примера рассмотрим СЭС мощностью в пять киловатт, которая вырабатывает:

• в год – в среднем от 6 до 6,5 МВт*ч
• в зимний период – минимум 160 кВт*ч
• в летний период – максимум 750 кВт*ч

Находим в интернете онлайн-калькулятор, и вычисляем, что окупаемость СЭС в соответствии с «зелеными тарифами» и за вычетом потребления энергии самой станцией составит немногим более 8 лет. Это означает, что по истечении этого срока ваша ежегодная прибыль будет составлять 500-600 долларов.

Примечание:

1. Если вы выберете станцию мощностью в 20 или 40 киловатт, то полученный результат нужно будет умножить на 4 или 8.
2. При расчетах не забудьте учесть коэффициент уровня инсоляции для своего района.

Этот простой расчет позволяет прийти к заключению, что даже пятикиловаттная солнечная станция может стать для вас небольшим, но окупаемым бизнесом. Поэтому не стоит откладывать установку солнечной электростанции в долгий ящик: чем быстрее вы это сделаете, тем раньше вы начнете пользоваться преимуществами экологически чистой энергии, полученной от неиссякаемого солнца!