Принцип преобразования солнечной энергии, её применение и перспективы

В мире всё меньше традиционных источников энергии. Запасы нефти, газа, угля истощаются и всё идёт к тому, что рано или поздно они закончатся. Если к этому времени не найти альтернативных источников энергии, то человечество ждёт катастрофа. Поэтому во всех развитых странах ведутся исследования по открытию и разработке новых источников энергии. В первую очередь – это солнечная энергия. С древних времён эта энергию использовалась людьми для освещения жилища, сушки продуктов, одежды и т. п. Солнечная энергетика сегодня является одним из наиболее перспективных источников альтернативной энергии. В настоящее время уже есть достаточно много конструкций, позволяющих преобразовывать энергию солнца в электрическую или тепловую. Отрасль постепенно растёт и развивается, но, как и везде, есть свои проблемы. Обо всём этом речь пойдёт в настоящем материале.

Распространение в России

Солнечная энергетика получает все более широкое распространение в разных странах и на разных континентах. Россия не является исключением из этой тенденции. Причиной более широкого распространения в последние годы стало:

• Развитие новых технологий, позволившее снизить стоимость оборудования;
• Желание людей иметь независимый источник энергии;
• Чистота производства получаемой энергии («зеленая энергетика»);
• Возобновляемый источник энергии.

Потенциалом для развития солнечной энергетики обладают южные районы нашей страны – республики Кавказа, Краснодарский и Ставропольский край, южные районы Сибири и Дальнего Востока. Районы различаются по инсоляции в течение суток и времени года, так для разных регионов поток солнечной радиации, в летний период, составляет:

По состоянию на начало 2021 года мощность работающих солнечных электростанций на территории России составляет 0,03% от мощности электростанции энергетической системы нашей страны. В цифрах – это составляет 75,2 МВт.

Солнечные батареи — альтернативная энергия

Независимый от сторонних ресурсов источник электрической энергии – это солнечная батарея. Для её функционирования нужен только свет центральной звезды нашей системы планет. Установки применяются повсеместно и стремительно набирают популярность, составляя конкуренцию центральным ЛЭП. Комплект солнечных батарей для частного применения можно приобрести в сборке и пользоваться энергией светила по своим потребностям.

Необходимая альтернатива

Солнечные панели изначально предназначались как альтернативный источник получения электричества для снабжения местности, где отсутствует линия электропередачи или поставки ресурса не являются постоянными и зависят от ряда факторов. Так батареи активно применяются:

• В отдалённых и не электрифицированных регионах с достаточной инсоляцией;
• В многоквартирных домах, в социальных учреждениях и на предприятиях в качестве резервного источника электроснабжения;
• В сельской местности солнечная электростанция дополняет автономное энергоснабжение;
• Энергия Солнца иногда используется как средство нагрева воды в системах отопления и водоснабжения;
• Космические станции работают на преобразованной солнечной энергии.

Полученное электричество расходуется на необходимые нужды: освещение, работа бытовых приборов и производственного оборудования, снабжение котельных установок.

Сфера применения систем переработки солнечной энергии на сегодняшний день обширна по нескольким причинам:

• В комплекте предусмотрен аккумулятор, в котором накапливается энергия, он может быть использован в «тёмный» период или во время отключения основной центральной сети.
• Отсутствие потребности в сторонних ресурсах, система сама себя обеспечивает. При использовании несколькими абонентами быстро окупается в пересчёте на оплату услуг электроснабжающих организаций.
• Независимость от внешних факторов, кроме погодных условий. Солнечные батареи будут действительно полезны в регионах, где солнце всё же посещает поверхность Земли.
• Долгосрочность работы – при правильном уходе и своевременном обслуживании до 20 лет.

Устанавливаются комплекты на отдельные стенды или на крыше дома с солнечной стороны.

Системы солнечных батарей в виду востребованности и создания конкуренции в отрасли заметно упали в цене за последнее десятилетие. При покупке комплекса для частного дома, электричеством в котором будет пользоваться семья из 4-х человек, отбить затраты можно уже через 3,5-4 года.

Разновидности преобразователей и их эффективность

Любая солнечный панель преобразует свет Солнца посредством инвертора – ключевого компонента системы. Он видоизменяет энергию в постоянный ток, который трансформируется модулем в переменный со стандартным напряжением 220 В, необходимым для работы большинства приборов.

Мощность инверторов варьируется в пределах 250…8000 Вт, что необходимо учитывать при выборе. Чем больше максимальная нагрузка напряжения в цепи, тем мощнее должен быть преобразователь.

Самые востребованные соотношения напряжения и мощности для частного хозяйства, жилых домов:

• 12 В и 600 Вт;
• 24 В и 600…1500 Вт;
• 48 В и ≥1500 Вт.

По организации работы преобразователи делятся на несколько видов:

• Автономные работают внутри единого контура без посторонних ресурсов. Их производительность должна быть рассчитана максимальной нагрузкой на цепь и принята с небольшим запасом для возможности скачка напряжения из-за включения техники-потребителя.
• Синхронные вырабатывают энергию, накапливают её, а свыше нормы отправляют в электрифицированную сеть. Обнаруженный недостаток в конденсаторе (аккумуляторе) восполняется обратным забором из сети преобразователем. Такая система помогает предотвратить перебои в центральной системе, используется как резерв.
• Комбинированные системы сочетают функции автономного и синхронного преобразователя.

Преобразователь в комплекте с солнечными батареями для дома создаёт на выходе качественно разные сигналы напряжения, от которых зависит и стоимость устройства:

• Синусоидальные, самые дорогие, образуют высококачественный ток для подключения крупной бытовой техники – кондиционеров, холодильников, котлов;
• Прямоугольные служат для питания небольших приборов, например, освещения и других совместимых устройств. Стоимость такого преобразователя сравнительно низкая;
• Псевдосинусоидальные – это середина между прямоугольными и синусоидальными системами и по качеству, и по цене. К такому можно подключить любую бытовую технику, но качество передачи значительно ниже, чем у первого варианта.

По типу работы:

• Фотоэлектрические (полупроводниковые) преобразователи (ФЭП), трансформирующие солнечную энергию напрямую в электрическую. Несколько объединённых ФЭП – это солнечная батарея.
• Гелиоэлектростанции (ГЕЭС)– установки, работающие на высококонцентрированном излучении для активизации тепловых машин и промышленных установок.
• Солнечные коллекторы (СК) – это нагревательные установки низкотемпературного типа.

Как солнечную батарею выбрать

При необходимости в использовании автономного источника электроэнергии в первую очередь необходимо рассчитать предполагаемую нагрузку на сеть и определить мощность установки. Благо, производители предлагают готовые системы с солнечными батареями в комплекте и достаточно определить только несколько основных параметров:

• Мощность и размер панелей;
• Производительность установки;
• Требования батарей к инсоляции и температурному режиму.

Разновидности готовых модулей:

• Монокристаллические из силиконовых ячеек-преобразователей. Они отличаются компактностью и высокой эффективностью – до 22%, соответственно самой высокой стоимостью.
• Поликристаллические с кремниевым компонентом в составе рабочих секций. Их эффективность не превышает 18%, что ненамного меньше, чем у монокристаллических модулей, но стоимость значительно отличается в меньшую сторону, поэтому такие солнечные батареи выбирают для дачи и частного дома.
• Аморфные с тонкоплёночными кремниевыми фотоэлементами самые низкоэффективные и одновременно дешёвые. Но у них есть отличительная особенность – способность вырабатывать электричество при малой инсоляции.

Любые панели комплектуются в готовую систему в сопровождении следующего оборудования:

• Инвертор (преобразователь), трансформирующий свет в электричество;
• Аккумулятор, накапливающий энергию, он же нивелирует перепады напряжения;
• Контроллер аккумуляторного напряжения, зарядки и прочих параметров.

Укомплектовать комплекс можно самостоятельно или приобрести его в сборке, где оборудование подобрано правильно с учётом мощностных особенностей каждого компонента.

Монтаж комплекса следует доверять профессионалам – щиты необходимо устанавливать аккуратно посредством специального крепежа.

Мини гидроэлектростанции

Самодельные гидроэлектростанции – это дополнительные альтернативные источники энергии своими руками, их можно построить у ручья или водоема с плотиной. Основа этой конструкции – колесо, которое вращается потоками воды, а от скорости течения зависит мощность установки.

Как самостоятельно изготовить конструкцию?

Для осуществления задуманного понадобятся следующие материалы:

• автомобильные колеса;
• генератор;
• обрезки уголка и металла;
• фанера;
• медный провод;
• магниты неодимовые;
• полистироловая смола.

Колесо изготавливается из дисков размером 11 дюймов. Стальная труба разрезается на четыре части по вертикали, из получившихся сегментов получаются лопасти, их потребуется 16 штук. Лопасти крепятся сваркой, а диски – болтами.

Размеры сопла соответствуют ширине колеса, его изготавливают из обрезка металла. Придав соответствующую форму, края соединяют сваркой. Сопло должно быть настроено по высоте для регулирования водяного потока.

Далее, ось сваривается и на нее устанавливается колесо. Изготавливается генератор, который защищается металлическим крылом от брызг. Все элементы покрываются краской для защиты от влаги и коррозии.

Такое устройство не требует огромных капиталовложений, но оно способно значительно снизить расходы на электроэнергию.

Вывод

Сетевые солнечные электростанции, это не только экологичный и надежный, но и перспективный источник электроснабжения для частного дома. И даже с учетом первоначальных вложений, ввиду роста тарифов на электроэнергию, сроки окупаемости оборудования вполне могут порадовать.

Подробнее о специфике работы и оптимальной мощности сетевых солнечных электростанций – в предыдущей тематической статье. Обсуждение микрогенерации в отечественных реалиях – в профильной ветке на форуме. В видео – как сделать дом автономным и не платить за электроэнергию.

Подписывайтесь на наш Telegram каналЭксклюзивные посты каждую неделю

Условия для работы и повышения эффективности

Расчет и монтаж гелиосистемы лучше доверить профессионалам. Соблюдение техники установки обеспечит работоспособность и получение заявленной производительности. Для улучшения эффективности и периода службы надо учесть некоторые нюансы.

Термостатический клапан. В традиционных системах теплоснабжения термостатический элемент редко устанавливается, так как за регулировку температуры отвечает теплогенератор. Однако при обустройстве гелиосистемы о защитном клапане забывать нельзя.

Нагрев бака до максимальной допустимой температуры повышает производительность коллектора и позволяет задействовать солнечное тепло даже при пасмурной погоде

Оптимальное размещение клапана – 60 см от нагревателя. При близком расположении «термостат» нагревается и блокирует подачу горячей воды.

Размещение бака-аккумулятора. Буферная емкость ГВС должна устанавливаться в доступном месте. При размещении в компактном помещении особое внимание уделяется высоте потолков.

Минимальное свободное пространство над баком – 60 см. Этот зазор необходим для обслуживания аккумулятора и замены магниевого анода

Установка расширительного бака. Элемент компенсирует температурное расширение в период стагнации. Установка бака выше насосного оборудования спровоцирует перегрев мембраны и ее преждевременный износ.

Оптимальное место для расширительного бачка – под насосной группой. Температурное воздействие при таком монтаже значительно сокращается, и мембрана дольше сохраняет эластичность

Подсоединение гелиоконтура. При подключении труб рекомендуется организовать петлю. «Термопетля» сокращает теплопотери, препятствуя выходу разогретой жидкости.

Технически правильный вариант реализации «петли» гелиоконтура. Пренебрежение требованием становится причиной понижения температуры в баке-аккумуляторе на 1-2°С за ночь

Обратный клапан. Предупреждает «опрокидывание» циркуляции теплоносителя. При недостатке солнечной активности обратный клапан не дает рассеиваться теплу, накопленному днем.

Освоение нетрадиционных источников

К нетрадиционным источникам энергии относятся:

• энергия солнца;
• энергия ветра;
• геотермальная;
• энергия морских приливов и волн;
• биомассы;
• низкопотенциальная энергия окружающей среды.

Их освоение представляется возможным благодаря повсеместной распространенности большинства видов, можно отметить также их экологическую чистоту и отсутствие эксплуатационных затрат на топливную составляющую.

Однако существуют и некоторые отрицательные качества, которые препятствуют применению их в производственных масштабах. Это – небольшая плотность потока, которая заставляет применять «перехватывающие» установки большой площади, также изменчивость во времени.

Все это приводит к тому, что подобные устройства обладают большой материалоемкостью, а значит, увеличиваются и капиталовложения. Ну, а процесс получения энергии из-за некоторого элемента случайности, связанного с погодными условиями, доставляет немало неприятностей.

Другой наиважнейшей проблемой остается «сохранение» этого энергетического сырья, так как существующие технологии аккумулирования электроэнергии не позволяют сделать это в больших количествах. Тем не менее, в бытовых условиях альтернативные источники энергии для дома пользуются все большей популярностью, поэтому ознакомимся с основными энергоустановками, которые можно установить в частном владении.

Дополнительное оборудование

Помимо генераторов тока (ветрогенератора или солнечной батареи) вам потребуются:

1. Инвертор — преобразует постоянный ток, вырабатываемый солнечной батареей или аккумулятором, в переменный ток мощностью 220 В.
2. Аккумуляторные батареи (АКБ). В них накапливается запас электроэнергии на случай пикового потребления или для той ситуации, когда генератор не вырабатывает ток (например, солнечные батареи ночью).
3. Контроллеры заряда — устройства, отвечающие за направление потоков электроэнергии, вырабатываемой генератором. Без них генератор придётся вручную отключать от АКБ на каждую ночь и в конце каждого заряда. Кроме того, контроллеры повышают эффективность работы генератора на 30–50 %.
4. Крепление генератора. В случае с ветрогенератором это мачта высотой 8–10 м. Для солнечных панелей это кронштейны для установки на крыше либо отдельно стоящие конструкции.

Как показывает практика, за комплект оборудования придётся заплатить примерно столько же, сколько за генератор.

Биогазовые установки

Газ образуется в результате обработки продуктов жизнедеятельности домашних птиц и животных. Переработанные отходы используются для удобрения почвы на приусадебных участках. Процесс основан на реакции брожения, в котором участвуют бактерии, живущие в навозе.

Самым лучшим источником биогаза считается навоз КРС, хотя для этого также подходят отходы птиц или другого домашнего скота.

Брожение происходит без доступа кислорода, поэтому целесообразно использовать закрытые емкости, которые еще называют биореакторами. Реакция активизируется, если периодически перемешивать массу, для этого используется ручной труд или различные электромеханические приспособления.

Также потребуется поддерживать температуру в установке от 30 до 50 градусов для обеспечения активности мезофильных и термофильных бактерий и участия их в реакции.

Изготовление конструкции

Самой простой биогазовой установкой является бочка с мешалкой, закрывающаяся крышкой. Газ из бочки поступает в резервуар через шланг, в крышке для этой цели проделывается отверстие. Такая конструкция обеспечивает газом одну или две газовые горелки.

Для получения масштабных объемов газа используется надземный или подземный бункер, который изготавливается из железобетона. Всю емкость целесообразно разделить на несколько отсеков, для того чтобы реакция происходила со сдвигом во времени.

Процесс брожения при участии мезофильных культур занимает до 30 дней, поэтому такие условия оптимальны для бесперебойного выделения газа. Загружают навоз через загрузочный бункер, с противоположной стороны отбирается отработанное сырье.

Емкость заполняется массой не полностью, примерно на 20 процентов, остальное пространство служит для скапливания газа. К крышке емкости подсоединяются две трубки, одна отводится к потребителю, а другая к гидрозатвору – емкости, заполненной водой. Это обеспечивает очищение и осушение газа, к потребителю подается газ высокого качества.