Из чего состоит солнечная электростанция

Из чего состоит солнечная электростанция: характеристика, схема, мощность солнечной электростанции

Солнечная электростанция имеет большое количество оборудования. Все же система генерирования солнечной энергии в электрический ток не такая простая задача. И пусть даже солнечные батареи уже составлены из фотоэлементов, но отдельное оборудование необходимо объединить и создать целую сеть, которая будет работать для Вас.

В установке солнечных электростанций является большое количество важных мелочей, которых даже не знают большинство электриков. Всегда надо помнить, что работа с высокотехнологичным оборудованием требует к себе особого и акцентированного внимания. Поэтому установка солнечных электростанций должно осуществляться только специалистами и мастерами своего дела, в противном случае, есть риск некорректной работы или низкой эффективности системы. Чтобы узнать, из чего состоит солнечная электростанция, мы дадим ей краткую характеристику.

Характеристики солнечных электростанций: основные элементы СЭС

Солнечная электростанция – это довольно сложная и инновационная система устройств. Срок службы этой системы может достигать 25 лет. Но конечно такой показатель можно достичь только с использованием качественного оборудования и своевременного сервисного обслуживания.

Основными элементам солнечной электростанции являются:

  • Солнечные батареи;
  • Инвертор;
  • Контроллер;
  • Аккумулятор.

Это устройства, которые принимают на себя солнечные лучи, и превращают их в постоянный электрический ток. Солнечная панель, как правило, состоит из 36 фотоэлементов. Но они отличаются по своей мощности и габаритам.

Есть несколько видов солнечных панелей:

  1. С монокристаллов
    Это очень распространенный вид солнечных панелей, ведь благодаря прочному корпусу влага не попадает в систему. Широко используется в садовом освещении, подкормке электрических приборов или светильников.
  2. Тонкопленочные
    Этот вид используется очень масштабно, ведь по сути это лишь пленка, которая регенерирует солнечную энергию в электрический ток. Этой пленки нужно достаточно много чтобы получить достойную мощность. Но к плюсам можно отнести минимальные требования к установке и фиксации. Любая стена или кровля с легкостью будет служить креплением тонко пленочной солнечной батареи.
  3. Поликристаллические
    Это хорошая альтернатива монокристаллическим солнечным батареям. В основе данных панелей применен кремний, который имеет ярко синий цвет. Такие панели используются в парках, садах, освещение улиц, заряд аккумуляторов.

Если после солнечных батарей мы получаем постоянный ток, то с помощью инвертора, мы можем получить переменный. Мощность солнечной электростанции зависит от мощности инвертора, ведь именно через него проходит весь поток электроэнергии. Также, важно отметить, что эти устройства имеют защитную функцию, то есть избегают перегрузок системы и следят за стабильностью работы.

Это оборудование следит за состоянием заряда солнечных панелей. Его задача – следить за объемом свободного и заполненного места в аккумуляторе. Это значительно сохраняет всю систему и продлевает срок ее службы.

Наверное один из главнейших элементов схемы солнечных электростанций. Аккумулятор принимает на себя весь ток и накапливает его. Данный элемент постоянно работает, ведь днем он получает и отдает энергию, а ночью только отдает. Аккумулятор должен быть качественным, ведь максимальный объем полученной электроэнергии зависит именно от него.

В целом, именно эти 4 элемента и создают всю систему. Но стоит отметить, что это лишь базис потенциальной системы солнечной электростанции. В современные системы еще могут входить около 5 элементов, также будут обеспечивать надежную и стабильную работу. Обращаясь к опытной компании, Вы можете получить все рекомендации и установить себе качественное оборудование.

Схема солнечной электростанции

Солнечные электростанции можно разделить по многим критериям. По способу добывания, по целям извлечения электроэнергии или по масштабам. Но по схеме солнечных электростанций они также значительно отличаются:

Атомные схемы солнечной электростанции устанавливаются в местах, где бывают проблемы с электроснабжением. В этом типе схемы обеспечивается полная энергетическая независимость от центрального энергоснабжения.

Данная схема подключения рассчитана на полную независимость от центрального энергоснабжения, и дает возможность излишки энергии продавать. В таком случае сетевая схема солнечной электростанции приносит значительную прибыль в кошелек владельца.

Гибридная солнечная электростанция рассчитана на получение и генерирования электроэнергии от солнечных лучей но не исключает случай подключения централизованного энергоснабжения. Если в аккумуляторе будет минимальный заряд энергии, в систему будет попадать дополнительная.

Солнечная электростанция для частного дома 81

Если вы являетесь счастливым обладателем своего загородного дома или планируете его строительство, скорее всего, вам не раз приходилось задумываться над вопросами электроснабжения своего жилища. Слишком часто бывает так, что мощность ближайшей подстанции не позволяет обеспечить всех желающих электроэнергией и связано это с тем, что степень изношенности многих подстанций сегодня высока, а аппетиты городов и посёлков постоянно увеличиваются в связи со строительством новых зданий и частных домов. Лампочка горящая в полнакала, перепады и скачки напряжения, которые несут угрозу для всех бытовых приборов в доме, а то и вовсе отключение света.

Столкнувшись в очередной раз со всеми недостатками централизованных сетей электроснабжения частного дома, мы поняли, что генерация своей собственной электроэнергии станет для нас наиболее разумным решением. Вариантов было несколько: дизель-генератор, ветровая или солнечная электростанции. От установки дизель-генератора отказались по понятным причинам – шумно, да и невозможно использовать дизель-генератор как основной источник электроэнергии. Это решение больше для аварийных ситуаций.

Ветровая электростанция. Одним из главных критериев для ее установки являются требования к ветру. Среднегодовая скорость ветра должна быть около 4.0-4.5 м/с., этого показателя должно быть достаточно для того, чтобы домашняя ветряная электростанция была выгодна в использовании. Среднегодовая скорость ветра в Псковской области достигает 2,0 м/с да и то в зимний период. В другие времена года эти значения были еще ниже.

Для справки:
Среднегодовая или среднемесячная скорость ветра – это усредненный показатель, рассчитанный на основе 10-летних наблюдений. Скорость ветра измеряется на высоте 10 метров от поверхности земли. Эти показатели сильно отличаются в различных регионах страны и напрямую влияют на эффективность использования ветрогенераторов и электростанций на основе энергии ветра.

Солнечная электростанция. В основе расчета солнечной электростанции нужно учитывать два параметра. Это необходимая мощность потребления и количество солнечных дней в году. Исходя из этого необходимо сначала определить сколько понадобится электроэнергии, и сколько дней в году будет работать система.

Инсоляция определяет количество солнечных дней в году. От этого будет зависеть мощность и количество электроэнергии, генерируемой солнечными батареями. Уровень инсоляции для Псковской области оставляет 3-3,5 кВт*ч/м2/сутки, что уже неплохо. Теперь посмотрим график распределения инсоляции в году.

Пиковые значения солнечных дней в году приходятся на май, июнь и июль. В зимний период солнца значительно меньше (данные взяты для Псковской области, значения уровня инсоляции могут варьироваться от региона к региону).

Вот такие исходные данные мы получили. И, при весьма скромном бюджете, решили всё-таки реализовать данный проект. Что у нас получилось, с какими трудностями пришлось столкнуться – читайте далее.

Есть три основных типа солнечных электростанций: сетевые, автономные и гибридные.

Сетевая солнечная электростанция работает без аккумуляторов и используется для уменьшения оплаты за сетевую электроэнергию. Принцип работы прост: выработанную от солнца электроэнергию она направляет во внутреннюю сеть, из промышленной сети берется только недостающая мощность.

Автономная солнечная электростанция строится для электроснабжения там, где нет промышленной сети. Выработанную солнечную энергию она направляет на питание потребителей, а избытки запасает в аккумуляторных батареях. В темное время суток все электроснабжение осуществляется от аккумуляторов.

Гибридная солнечная электростанция – это комбинированный тип сетевой и автономной солнечных электростанций. Днем солнечная энергия направляется во внутреннюю сеть, уменьшая потребление. Ночью система переходит на питание от промышленной сети или аккумуляторов. При отключении промышленной сети система работает как автономная солнечная электростанция – энергоснабжение объекта не прерывается и осуществляется от солнечной и запасенной в аккумуляторах энергии.

В нашем проекте была использована гибридная солнечная станция. Это позволило решить проблему малого количества солнечных дней в зимний период. Но главное – весь год мы теперь не зависели от некачественной сети. И при отсутствии в ней электричества, электроснабжение дома не прерывалось.

Принцип работы гибридной солнечной электростанции

Система состоит из трёх элементов: солнечные панели, аккумуляторы и гибридный инвертор.

Основа всего – гибридный инвертор, который способен в потребляемую от внешней сети энергию “подмешивать” энергию, выработанную солнечными панелями.

Принцип работы таков: дом потребляет энергию от солнечных панелей, но при ее нехватке использует мощности внешней сети. Когда внешняя сеть отсутствует, гибридный инвертор переходит на автономную работу, при которой используется энергия солнечных панелей и энергия аккумуляторов.

Остановимся подробнее на каждом элементе солнечной электростанции.

Список оборудования получился следующим:

  • Солнечная батарея 200Вт – 4 шт;
  • Гибридный солнечный инвертор SILA 3000M Plus – 1 шт;
  • Аккумулятор SunStonePower ML12-200 – 2 шт.

Дополнительное оборудование:

  • 7 x Кабель солнечный 6 мм2 ( черный );
  • 7 x Кабель солнечный 6 мм2 ( красный );
  • 2 x Коннектор MC4 30A;
  • 1 x Балансир заряда двух АКБ 12 Вольт;
  • 1 x Коннектор МС4 Y-3;
  • 3 x Диод шоттки МС4 10А;
  • 1 x Перемычка для аккумуляторов 260/25 под болт М8;
  • 2 x Перемычка для аккумуляторов 1500/25 под болт М8;
  • 1 x Предохранитель ANL 200А;
  • 1 x Держатель предохранителя ANL;
  • 1 x УЗИП постоянного тока 2Р;
  • 1 x Предохранитель FDS-32;
  • 1 x Держатель предохранителя FDS-32.

Собирали систему самостоятельно.

Чаще всего, солнечные панели устанавливают на крышах домов, гаражей или хозяйственных построек. Эффективность производства электроэнергии при неправильной установке может сильно снижаться, поэтому необходимо учитывать следующие правила:

  1. На солнечные батареи не должна падать тень от близлежащих зданий, деревьев или опор ЛЭП.
  2. Летом панели должны быть повернуты на юг, зимой – на юго-восток.
  3. Панели необходимо устанавливать на подвижные основания, за счет которых можно будет регулировать угол наклона.

Все четыре солнечные батареи мы разместили на крыше надворной постройки. Место установки было выбрано неслучайно, так как солнечные панели нужно направить на юг, чтобы они получали больше солнца в течение всего дня.

Читайте также:  Технические характеристики провода ПВС

Перед установкой нужно тщательно продумать расположение компонентов солнечной электростанции. Протянуть провода от панелей до места расположения инвертора. Провода выбрали сечением 6 мм², так как по ним будет передаваться напряжение до 100 В и ток 25–30 А. Такой запас по сечению позволяет минимизировать потери на проводе.

Солнечные панели были собраны в две группы по две панели в каждой.

Группы панелей между собой подключены параллельно специальными коннекторами, обеспечивающими хороший контакт и герметичность соединения – называются MC4.


Коннектор MC4 30A

Подключение гибридного инвертора производится с нижней стороны на клеммные колодки и винтовые зажимы:

На передней панели находятся четыре кнопки управления режимами индикации и управления инвертором.

Индикация – дисплей у инвертора LCD и дает полную информацию о состоянии и параметрах во время работы системы. На дисплее отображается схема работы, напряжение и частота входа и выхода по высокому напряжению, потребляемая мощность нагрузки, генерируемая мощность солнечных панелей, напряжение аккумуляторной батареи и потребляемый от нее ток.

Также, на передней панели выведены три светодиода для информирования о состоянии основных режимов работы инвертора.

Помимо органов управления, инвертор обеспечивает легкую и доступную настройку и визуализацию рабочих процессов через ПО, скачать которое можно на сайте производителя. Подключается инвертор к компьютеру через шнур (идет в комплекте поставки) к порту RS232. Если у вас нет данного порта, то нужно дополнительно приобрести переходник USB-RS232.

Установленное ПО автоматически находит подключенный инвертор. Выглядит оно следующим образом:

А вот здесь можно произвести точную настройку инвертора под Ваши задачи:

Этот комплект может выдать до 3 кВт мощности в автономном режиме. Если приобрести такой же инвертор, то можно нарастить мощность до 6 кВт на фазу.

Типовой состав потребителей:

  • освещение 200 Вт до 5 часов в сутки;
  • телевизоры 200 Вт до 5 часов в сутки;
  • ноутбук и телефон 100 Вт до 5 часов в сутки;
  • компьютер 300 Вт до 5 часов в сутки;
  • холодильник 100 Вт до 24 часов в сутки;
  • циркуляционный насос 100 Вт до 12 часов в сутки;
  • стиральная машина 1000 Вт 1 час в сутки.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:

Типы солнечных электростанций и принципы их работы

Дата публикации: 28 января 2019

Экономичность и перспективность использования солнечной радиации в качестве альтернативного источника энергии и стали основными причинами широкого распространения гелиостанций. Их применяют как в промышленных целях, так и в частных секторах. Солнечные панели – не единственный метод использования энергии солнца. Сегодня ее преобразуют несколькими способами, которые и определяют типы солнечных электростанций (СЭС).

Пожалуй, солнце уже нельзя отнести в топ-10 необычных источников энергии. Разнообразие СЭС подтверждает изученность этой сферы энергетики. Все солнечные электростанции по конструкции подразделяются несколько видов:

  • тарельчатого типа;
  • применяющие фотопанели;
  • работающие на основе параболоцилиндрических концентраторов;
  • с двигателем Стирлинга;
  • башенные;
  • аэростатные;
  • комбинированные.

СЭС тарельчатого типа

Тарельчатые СЭС состоят из модулей, поэтому такие станции могут применяться не только самостоятельно. Их включают в группы, тем самым повышая мощность до нескольких мегаватт. Система имеет конструкторский характер сборки. Каждый модуль такой электростанции на солнечной энергии состоит из нескольких частей:

  • Опоры. Она предназначена для крепления фермы, которая служит основанием для остальных элементов.
  • Приемника. Выполняет функцию концентрации солнечных лучей. Приемником может выступать двигатель Стирлинга или парогенератор.
  • Отражателя. Используется, чтобы сконцентрировать солнечные лучи в генератор, расположенный прямо перед ним. Именно форма отражателя в виде тарелок дала название таким СЭС. Зеркала расположены на ферме по радиусу. Каждое из них индивидуально настроено.

Диаметр зеркал может достигать 2 м. Автономные СЭС работают только на одном модуле. Другой вариант конструкции, когда параллельно работают сразу несколько десятков модулей. Подобные станции особенно распространены на территории Нидерландов и в штате Калифорния в США.

СЭС башенного типа

Башенные гелиостанции работают по тому же принципу, что и тарельчатые. Основу системы составляет башня, достигающая в высоту 18-24 м. Ее располагают по центру всей установки. Составляющие башни:

  • Резервуар, наполненный водой. Чтобы поглощать максимум солнечного излучения, он покрашен в черный цвет..
  • Насосная группа. Образующийся пар нужно доставить на турбогенератор, что и делает насос.

Вторая составляющая станции – гелиостаты, которые окружают башню. За счет включения в общую систему позиционирования зеркала подстраиваются под положение солнца, меняя свою ориентацию. Температура в резервуаре достигает 700 °C в яркую солнечную погоду, а КПД – 20%.

СЭС с параболическими концентраторами

Электрогенерирующая способность таких СЭС тоже связана с отражательной способностью зеркал. Вместо тарелок в основе конструкции находится параболический цилиндр длиной до 50 м. Его составляют из отдельных модулей. В фокусе такого отражателя расположена трубка, предназначенная для движения жидкого теплоносителя. Чаще всего эту роль выполняет масло. Как работает солнечная электростанция:

  1. При прохождении всего пути теплоноситель нагревается, передавая свое тепло воде.
  2. Она преобразуется в пар, который направляют на турбогенератор.
  3. Устройство преобразует полученную энергию в электричество.

Девять подобных СЭС были построены еще в 80-х годах в Калифорнии. Суммарная мощность установок составила 354 МВт. Но на практике оказалось, что эффективность таких СЭС значительно ниже, чем тарельчатого и башенного типа.

Несмотря на это, гелиостанции с параболическими концентраторами продолжают строиться. Так, в 2016 году подобную установку ввели в эксплуатацию в Марокко. Здесь ее расположили в пустыне Сахара, рядом с Касабланкой. Мощность установки достигла 500 МВт. Ее обеспечивают 0,5 млн зеркал длиной 12 м.

С двигателем Стирлинга

СЭС с двигателем Стирлинга – это разновидность гелиостанций, тоже состоящих из параболических концентраторов. Разница здесь лишь в конструкции, которую помещают в их фокусе. Здесь это именно двигатель Стирлинга, представляющий собой двигатель с маховиком. Система представлена замкнутым рабочим контуром, по которому движется газ или жидкость. В частности, для СЭС применяют водород или гелий.

Главное отличие такой установки – суммарный КПД до 34%. Принцип действия солнечной электростанции:

  1. Каждый концентратор благодаря альбедо в 95% отражает солнечные лучи.
  2. Они попадают на двигатель, одна из сторон которого за счет этого нагревается.
  3. Вторая сторона охлаждается окружающим воздухом, а система в это время двигает поршень Стирлинга туда-сюда, что обеспечивает генерацию до 40 кВт энергии.
  4. Часть ее тратится на воздухообмен и перемещение зеркал концентраторов, которые поворачиваются вслед за Солнцем.
  5. Вычтя эти затраты, можно получить величину «чистой» генерации в 33 кВт, что и обеспечивает указанный выше КПД в 34%.

Получается, что станция работает за счет колебаний поршня, которые преобразуются в электроэнергию. КПД оказывается примерно в 2 раза выше, чем у обычных гелиотермальных установок. Это обусловлено также и тем, что при сочетании двигателя Стирлинга и концентраторов параболической формы рабочий зазор будет совсем небольшим. В результате затраты на нагрев воздуха между генератором и зеркалом значительно снижаются.

СЭС на фотоэлектрических модулях

Фотоэлектрические гелиостанции считают классическими. В их основе лежит применение солнечных батарей и модулей. Если электроснабжение требуется для небольших объектов, применяют модули без кремниевых элементов. Их устанавливают на крышах или участке земли.

Для промышленных объектов предусмотрены более мощные фотобатареи, которые занимают значительные площади. Принцип работы такой гелиоэлектростанции прост. Для получения электричества преобразуют энергию фотонов света. Станция может работать на отдельный насос или снабжать электричеством целый поселок. Все зависит от количества и мощности панелей. Они особенно распространены в частном секторе. Правильно выбрать солнечную батарею для дома совсем несложно.

Аэростатные СЭС

Только аэростатные СЭС собирают до 97% всей солнечной энергии. Их преимуществом считают и то, что они занимают сравнительно небольшую площадь. Основа конструкции – громоздкий баллон аэростата, который располагается в воздухе. Независимо от погоды и времени суток он поглощает все солнечные лучи. Это обеспечивается возможностью поднимать и опускать баллон.

Комбинированные СЭС

Уже из названия понятно, что комбинированные СЭС совмещают в себе разные типы гелиостанций. Часто сочетают между собой солнечные батареи и концентраторы – тарельчатые или параболические. Кроме производства энергии на солнечных электростанциях предусмотрена возможность обеспечения населения горячей водой. Ее нагрев осуществляют за счет дополнительно установленных теплообменных конструкций.

Разнообразие видов солнечных электростанций только подтверждает, что сегодня они активно развиваются. В связи с этим крупные компании продолжают вкладывать в строительство таких установок серьезные инвестиции. Гелиостанции окупают себя за несколько лет и остаются рентабельными в отличие от ископаемых ресурсов, цены на которые постепенно растут. Существующие же виды СЭС продолжают совершенствовать, чтобы устранить их основные недостатки. В будущем это позволит использовать солнечную энергию на полную мощность как в промышленных, так и в гражданских целях.

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

Как работают солнечные электростанции, на чем они основаны

В поисках альтернативных источников энергии человечество всё чаще обращается к солнцу, и это не удивительно. Именно солнце является неисчерпаемым источником света, тепла и жизни на планете. Попытки использовать его энергию для получения электричества предпринимались людьми давно. Но лишь в ХХ столетии эта идея обрела конкретную форму и вступила в фазу реального воплощения в жизнь. Поэтому сегодня вряд ли кого-то сможет удивить, например, солнечная электростанция для загородного дома или уличные фонари, работающие на солнечных батареях.

Солнце является бесплатным возобновляемым источником энергии, мощности которого могло бы хватить на обеспечение всего земного шара электричеством. Это позволило бы человечеству отказаться от таких дорогих и наносящих вред окружающей среде энергоносителей, как нефть, газ, уголь, радиоактивное топливо. К сожалению, из-за достаточно низкого КПД доступного в настоящий момент оборудования, мощности существующих ныне солнечных электростанций пока недостаточно для их полноценной замены. Сегодня мы стоим у самых истоков развития данной технологии, которой, безусловно, принадлежит будущее.

Читайте также:  Гофрированная труба для прокладки кабеля: виды и монтаж

Все существующие в настоящее время солнечные электростанции можно разделить на две большие группы – промышленные и мобильные энергетические установки для обеспечения жилых домов. Разница между ними заключается не только в масштабах, но во многом и в принципах работы, которые будут рассмотрены ниже.

Принципы работы разных видов промышленных солнечных электростанций

Преобразование солнечной энергии в электрическую может происходить напрямую либо опосредованно – через предварительную выработку тепловой энергии, которая затем преобразуется в электрическую. Все существующие сегодня электростанции базируются на одном из этих принципов. Они бывают следующих видов:

  • Башенные солнечные электростанции, которые вырабатывают электричество вторым способом, то есть, путём предварительного преобразования солнечной энергии в тепловую. При достаточном уровне инсоляции в регионе их расположения они могут иметь достаточно большую мощность и КПД порядка 20%. Принцип работы основан здесь на использовании пара, получаемого в результате нагрева солнечными лучами резервуара с водой. При удачном месторасположении, ясной погоде и успешной работе оборудования температура нагрева воды может достигать 700? C. Поэтому в дальнейшем электроэнергия вырабатывается здесь при помощи стандартных паровых турбин, как на обычной ТЭЦ. Достигать таких высоких результатов помогает оригинальная конструкция башенных электростанций. Как видно из названия, в основе её располагается башня. Она может достигать 25 метров и более. В верхней её части устанавливается резервуар с водой чёрного цвета (для увеличения степени поглощения солнечных лучей). Однако простого нахождения на солнце резервуара с водой недостаточно для разогрева её до такой высокой температуры. Поэтому вокруг него по всему периметру устанавливают гелиостаты, улавливающие и перенаправляющие к нему большее количество солнечных лучей. Данные устройства представляют собой вогнутые зеркала площадью в несколько квадратных метров. Специальная регулируемая опора позволяет им менять положение по ходу движения солнца, чтобы максимально эффективно улавливать его лучи и направлять их на нагреваемую ёмкость с водой. На площадке вокруг башни могут быть установлены сотни таких зеркал. Для перекачки воды в башне предусмотрена система насосов. Управление процессом осуществляется при помощи специальной компьютерной программы. Подобная конструкция стационарной солнечной электростанции является на сегодняшний день одной из самых эффективных. Среди минусов – слишком большая площадь, занимаемая гелиостатами, а также невозможность работать круглосуточно.
  • Солнечно-вакуумные электростанции, в основании которых также располагается высокая башня. Но принцип её работы другой. Генератором вырабатывается электроэнергия от работы воздушной турбины, которую приводит в действие поток горячего воздуха. Разница температур у основания башни и на её вершине заставляет воздух двигаться. Кроме башни в конструкцию включается покрытый зеркалами участок земли у её основания, нагревающийся под лучами солнца. Воздух движется вверх, вращая турбину. Так как разница температур в такой конструкции сохраняется достаточно долго, данный вид электростанции может функционировать не только днём, но и ночью. Это является её большим преимуществом.
  • Используют энергию пара и в так называемых параболо-цилиндических концентраторах. В основе работы данного вида электростанции лежит нагрев масляного теплоносителя до температуры, необходимой для преобразования воды в теплообменнике в пар. А уже пар в свою очередь приводит в действие всё ту же стандартную паровую турбину. Отличие от башенных электростанций состоит в том, что здесь не требуется строительства высокой башни, а нагрев резервуара с водой происходит не непосредственно от направляемых на него лучей солнца, а от искусственного теплоносителя. Просто устанавливается трубка с нагреваемым масляным теплоносителем, на которой фокусируется тепловой луч, создаваемый специальным параболо-целиндрическим зеркалом, закреплённым на постаменте и отражающим солнечный свет в нужном направлении.
  • Одной из разновидностей установки, работающей на параболо-цилиндрических концентраторах, является солнечная электростанция, вырабатывающая энергию при помощи так называемого двигателя Стирлинга. В данном устройстве параболо-целиндрическое зеркало фокусирует отраженный солнечный свет на указанном двигателе. Эффективность таких установок может быть чрезвычайно высокой с КПД порядка 30%. Однако их работа требует применения водорода или гелия в качестве охлаждающего элемента.
  • Параболо-цилиндические концентраторы используются также в работе одной из самых необычных разновидностей солнечной электростанции – аэростатной СЭС. Здесь концентраторы параболической формы размещаются на аэростате, покрытом прозрачной армированной плёнкой. Безусловным достоинством такой конструкции является возможность стабильно работать на высоте, превышающей 20 км, где отсутствует ветер, облака и осадки. Термопреобразователь, на котором концентрируется луч, может при этом охлаждаться посредством гелия либо водорода. Ориентация параболического концентратора на солнце осуществляется при помощи гироскопа. Каждый аэростат может оснащаться несколькими параболо-цилиндическими концентраторами. Используется и другая разновидность аэростатных солнечных электростанций. В основе их работы лежит преобразование солнечного света при помощи специальных фотоэлементов, о которых будет рассказано ниже.
  • Тарельчатые электростанции также используют принцип преобразования тепловой солнечной энергии в электрическую. Они состоят из отдельных модулей. Основным элементом в модулях являются ферменные конструкции, включающие отражатель и приёмник. При этом отражателями являются зеркала диаметром до 2 метров, имеющие форму тарелок и крепящиеся к ферме. Отражаемый ими солнечный свет концентрируется на приёмнике. Промышленные электростанции могут состоять из десятков модулей, каждый из которых в свою очередь включает по нескольку десятков тарельчатых зеркал. Чем больше их количество, тем выше мощность модулей и электростанции в целом.

К сожалению, в настоящее время промышленные солнечные электростанции достаточно эффективны лишь в регионах с большим количеством солнечных дней в году. Многие из них не способны работать вообще либо крайне малопроизводительны в ночное время. Хотя энергия солнца является бесплатной, оборудование для таких электростанций всё ещё довольно дорогое, поэтому их строительство в промышленных масштабах не всегда рентабельно.

Мобильные электростанции для дома

Есть ещё одна сфера, где использование солнечной энергии в последнее время заметно набирает популярность. Это обустройство мобильных электростанций в частном секторе. В отличие от промышленных они предназначены для обеспечения электроэнергией отдельного дома или небольшой группы строений. Такая локальная солнечная электростанция или энергетическая установка, как правило, в своей основе имеет работу солнечных панелей, устанавливаемых на наиболее доступных для солнечной радиации местах – крышах домов, балконах, возвышенностях, открытых лужайках. В её состав входят:

  • солнечные панели с оптическими элементами для преобразования солнечных лучей;
  • аккумуляторы для обеспечения бесперебойной подачи электричества в тёмное время суток, пасмурную погоду и в случае аварии.
  • инверторы, преобразующие ток постоянного напряжения в переменный;
  • контроллеры, обеспечивающие контроль над уровнем зарядки батарей.

Частные домовладения могут обеспечиваться электроэнергией и от башенных солнечных электростанций, и от модульных, однако наиболее популярны в данной сфере мобильные панельные электростанции на фотоэлементах. Они позволяют использовать энергию солнечного света даже в пасмурную погоду. Солнечные панели могут приобретаться и устанавливаться в любом количестве в зависимости от нужд конкретного потребителя. Многочисленные фотоэлектрические полупроводниковые преобразователи устанавливаются на специальные монтажные платы. От их количества и мощности напрямую зависит мощность электростанции. Они довольно просты в монтаже и обслуживании.

Панельные электростанции бывают:

  • сетевые, работающие в стационарной электросети и не требующие применения аккумуляторных батарей, так как роль накопителя в данном случае играет сама сеть;
  • автономные с накопительными аккумуляторными батареями, преимуществом которых является независимость от внешних источников электроэнергии;
  • гибридные, совмещающие сетевой и автономный тип, благодаря чему снижается себестоимость установки и зависимость её от внешних источников.

Существуют также комбинированные варианты, когда солнечная электростанция для коттеджа оборудуется дополнительными теплообменниками, позволяющие использовать в хозяйстве получаемую в процессе выработки электроэнергии горячую техническую воду. На таком принципе часто построены системы отопления частных домов, оборудованных солнечными панелями.

Как работают солнечные батареи: принцип, устройство, материалы

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Немного истории

Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века. Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций. Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.

Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной. Современные устройства напрямую преобразуют солнечные лучи в ток благодаря понятию фотоэлектрический эффект.

Современный принцип работы солнечной батареи был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы солнечной батареи на практике.

Принцип работы

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.

Устройство

Конструкция солнечной батареи очень проста.

Читайте также:  Энергоаудит предприятия — для чего и когда проводится

Основу конструкции устройства составляют:

  • корпус панели;
  • блоки преобразования;
  • аккумуляторы;
  • дополнительные устройства.

Корпус выполняет исключительно функцию скрепления конструкции, не имея больше никакой практической пользы.

Основными элементами являются блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний. Можно сказать, что состоят солнечные батареи, устройство и принцип работы которых всегда одинаковый, из каркаса и двух тонких слоев кремния, который может быть нанесен на поверхность, как монокристаллическим, так и поликристаллическим методом.

От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность. Если кремний наносится монокристаллическим способом, то эффективность батареи будет максимально высокой, как и стоимость.

Если говорить о том, как работает солнечная батарея, то не нужно забывать об аккумуляторах. Как правило, используется два аккумулятора. Один является основным, второй — резервным. Основной накапливает электроэнергию, сразу же направляя ее в электрическую сеть. Второй накапливает избыточную электроэнергию, после чего направляет ее в сеть, когда напряжение падает.

Среди дополнительных устройств можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата.

Очень важными элементами солнечной назвать диоды. Данный элемент устанавливается на каждую четвертую часть блока преобразователей, защищая конструкцию от перегрева из-за избыточного напряжения. Если диоды не установлены, то есть большая вероятность, что после первого дождя система выйдет из строя.

Как подключается

Как было сказано раньше, устройство солнечной батареи достаточно сложное. Правильная схема солнечной батареи поможет добиться максимальной эффективности. Подключать блоки преобразователей необходимо при помощи параллельно-последовательного способа, что позволит получить оптимальную мощность и максимально эффективное напряжение в электрической сети.

Разновидности солнечных батарей

Существует несколько разновидностей фотоэлементов для солнечных батарей, которые отличаются между собой строением кристаллов кремния.

Выделяют три вида фотоэлементов:

  • поликристаллические;
  • монокристаллические;
  • аморфные.

Первый вид панелей является более дешевым, но менее эффективным, поскольку, если кремний нанесен поликристаллическим способом, то электроны не могут двигаться прямолинейно.

Монокристаллические фотоэлементы отличаются максимальным КПД, который достигает 25 %. Стоимость таких батарей выше, но для получения 1 киловатта нужна существенно меньшая площадь фотоэлементов, чем при использовании поликристаллических панелей.

Из аморфного кремния изготавливают гибкие фотоэлементы, но их КПД самый низкий и составляет 4-6 %.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества солнечных батарей:

  • солнечная энергия абсолютно бесплатная;
  • позволяют получать экологически чистую электроэнергию;
  • быстро окупаются;
  • простая установка и принцип работы.

  • большая стоимость;
  • для удовлетворения потребностей небольшой семьи в электроэнергии нужна достаточно большая площадь фотоэлементов;
  • эффективность существенно падает в облачную погоду.

Как добиться максимальной эффективности

При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час. В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.

Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.

Каждый день солнце светит в среднем по 9 часов, если брать среднегодовой показатель. За один день квадратный метр поверхности преобразователя способен выработать 1 киловатт электроэнергии. Если за сутки жильцами дома израсходуется приблизительно 20 киловатт электроэнергии, то минимальная площадь солнечных панелей должна составлять приблизительно 40 квадратных метров.

Однако, такой показатель потребления электроэнергии на практике встречается редко. Как правило, жильцы израсходуют до 10 кВТ в сутки.

Если говорить о том, работают ли солнечные батареи зимой, то стоит помнить, что в данную пору года сильно снижается длительность светового дня, но, если обеспечить систему мощными аккумуляторами, то получаемой за день энергии должно быть достаточно с учетом наличия резервного аккумулятора.

При подборе солнечной батареи очень важно обращать внимание на емкость аккумуляторов. Если нужны солнечные батареи работающие ночью, то емкость резервного аккумулятора играет ключевую роль. Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке.

Несмотря на тот факт, что стоимость установки солнечных батарей может превысить 1 миллион рублей, затраты окупятся уже в течении нескольких лет, поскольку энергия солнца абсолютно бесплатна.

Видео

Как устроена солнечная батарея, расскажет наше видео.

Из чего состоит солнечная электростанция

Все солнечные электростанции (сэс) подразделяют на несколько типов:

  • СЭС башенного типа
  • СЭС тарельчатого типа
  • СЭС, использующие фотобатареи
  • СЭС, использующие параболические концентраторы
  • Комбинированные СЭС
  • Аэростатные солнечные электростанции

СЭС башенного типа

Данные электростанции основаны на принципе получения водяного пара с использованием солнечной радиации. В центре станции стоит башня высотой от 18 до 24 метров (в зависимости от мощности и некоторых других параметров высота может быть больше либо меньше), на вершине которой находится резервуар с водой. Этот резервуар покрашен в чёрный цвет для поглощения теплового излучения. Также в этой башне находится насосная группа, доставляющая пар на турбогенератор, который находится вне башни. По кругу от башни на некотором расстоянии располагаются гелиостаты. Гелиостат — зеркало площадью в несколько квадратных метров, закреплённое на опоре и подключённое к общей системе позиционирования. То есть, в зависимости от положения солнца, зеркало будет менять свою ориентацию в пространстве. Основная и самая трудная задача – это позиционирование всех зеркал станции так, чтобы в любой момент времени все отраженные лучи от них попали на резервуар. В ясную солнечную погоду температура в резервуаре может достигать 700 градусов. Такие температурные параметры используются на большинстве традиционных тепловых электростанций, поэтому для получения энергии используются стандартные турбины. Фактически на станциях такого типа можно получить сравнительно большой КПД (около 20 %) и высокие мощности. СЭС в Крыму

В Крыму, в городе Щёлкино, была построена СЭС башенного типа в качестве резервного источника электричества для планируемой там АЭС. Но по большому счету, эта станция была экспериментальной: ее мощность 5 МВт. При эксплуатации этой станции было выявлено множество трудностей. Одна из них — система позиционирования отражателей практически полностью (95 %) расходовала энергию, вырабатываемую станцией . Также возникали трудности с очисткой зеркал. Вскоре эта станция прекратила своё существование и была разворована [1] . 45.402647 , 35.862847 45°24′09.53″ с. ш. 35°51′46.25″ в. д.  /  45.402647° с. ш. 35.862847° в. д. (G) (O)

В 2011 году в Крыму возле села Охотниково компания Activ Solar построила солнечную электростанцию общей мощностью 80 МВт на более чем 160 гектарах. Электростанция состоит из примерно 360 000 модулей и может вырабатывать до 100 ГВтч электроэнергии в год, что достаточно для обеспечения потребностей до 20000 домохозяйств. Проект разделен на четыре очереди по 20 МВт каждая. Строительство первых двух очередей было завершено в июле 2011, третья и четвертая в октябре того же года. [2]

Та же компания Activ Solar в январе 2012 года объявила о завершении строительства и начале ввода в эксплуатацию солнечной электростанции «Перово» на 100 МВт. По состоянию на январь 2012 года это самая мощная электростанция в мире. [3]

СЭС тарельчатого типа

Данный тип СЭС использует принцип получения электроэнергии, схожий с таковым у Башенных СЭС, но есть отличия в конструкции самой станции. Станция состоит из отдельных модулей. Модуль состоит из опоры, на которую крепится ферменная конструкция приемника и отражателя. Приемник находится на некотором удалении от отражателя, и в нем концентрируются отраженные лучи солнца. Отражатель состоит из зеркал в форме тарелок (отсюда название), радиально расположенных на ферме. Диаметры этих зеркал достигают 2 метров, а количество зеркал – нескольких десятков (в зависимости от мощности модуля). Такие станции могут состоять как из одного модуля (автономные), так и из нескольких десятков (работа параллельно с сетью).

СЭС, использующие фотобатареи

СЭС этого типа в настоящее время очень распространены, так как в общем случае СЭС состоит из большого числа отдельных модулей (фотобатарей) различной мощности и выходных параметров. Данные СЭС широко применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т. д.). Устанавливаться фотобатареи могут практически везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями. Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная от снабжения отдельных насосов, заканчивая электроснабжением небольшого посёлка.

СЭС использующие параболические концентраторы

Принцип работы данных СЭС заключается в нагревании теплоносителя до параметров, пригодных к использованию в турбогенераторе.

Конструкция СЭС: на ферменной конструкции устанавливается параболическое зеркало большой длины, а в фокусе параболы устанавливается трубка, по которой течет теплоноситель (чаще всего масло). Пройдя весь путь, теплоноситель разогревается и в теплообменных аппаратах отдаёт теплоту воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор.

СЭС, использующие двигатель Стирлинга

Представляют собой СЭС с параболическими концентраторами, у которых в фокусе установлен двигатель Стирлинга. Существуют конструкции двигателей Стирлинга, которые непосредственно преобразуют колебания поршня в электрическую энергию, без использования кривошипно-шатунного механизма. Это позволяет достичь высокой эффективности преобразования энергии. Эффективность таких электростанций достигает 31,25% [4] . В качестве рабочего тела используется водород или гелий.

Комбинированные СЭС

Часто на СЭС различных типов дополнительно устанавливают теплообменные аппараты для получения горячей воды, которая используется как для технических нужд, так и для горячего водоснабжения и отопления. В этом и состоит суть комбинированных СЭС. Также на одной территории возможна параллельная установка концентраторов и фотобатарей, что тоже считается комбинированной СЭС.

Ссылка на основную публикацию