Геліосистема та сонячні батареї

Сонячна батарея та сонячний (або геліо-) колектор -дві принципово різні технології, призначені для вирішення різних завдань. Перші перетворюють сонячну енергію на електричну, другі — на теплову.

Варто зауважити, що ефективність сонячних батарей поки не дуже висока – близько 15%. Одна фотоелектрична сонячна батарея займає трохи місця -1 х 1,5 м. Однак, щоб виробити 2 кВт енергії, потрібно встановити 10 панелей.

Сонячний колектор - це, по суті, циркулятор низькотемпературного теплоносія, тобто водонагрівач (за аналогією з радіатором). До нього входить холодна вода, а виходить гаряча, нагріта Сонцем. Орієнтовний ККД колекторів становить близько 70-85%. В умовах України кількість енергії, що отримується з 1 м2 колектора, становить близько 1000 кВтг/рік.

Рис 1.Карта сонячної активності в Україні

Рис 2. Карта сонячної активності в Україні

Точний розрахунок потужності, ефективності та часу окупності системи досить складний і повинен враховувати широту місцевості, кількість сонячних днів на рік, кут відхилення можливого місця встановлення від південного напрямку та інші фактори. Тому доводиться оперувати середнім значенням інтенсивності сонячної радіації для 1 м2 поверхні для конкретної місцевості.

Рис 3. Залежність сонячного випромінювання від погодних умов

Рис 4. Інтенсивність випромінювання протягом року

Рис 5. Тип випромінювання

Геліосистема.

Як можна значно скоротити витрати будь-якого палива (газу, електрики та ін.) при нагріванні гарячої води для будинку, басейну та забезпечення теплом приватного житла? Це завдання успішно вирішував сонячні системи, які перетворюють променисту енергію в теплову.

Скільки та якихколекторів потрібно?

Не заглиблюючись у технологічні нетрі, відзначимо, що колектори бувають плоскими і трубчастими. Перші дешевше і менш примхливі в обслуговуванні, другі більш продуктивні і багатофункціональні, але вимагають більшої уваги при експлуатації.

Розмір колектора повинен бути таким, щоб прилад міг забезпечити в середньому 85-95% гарячої води, що використовується в теплому півріччі. Вважається, що сім'ї із чотирьох осіб потрібен колектор:

або плоский, площею 1-1,5 м2 на особу, тобто 4-6 м2,
або трубчастий, площею 0,6-0,8 м2 на особу, тобто 2,4-3,2 м2.

Поверхня колекторів, покликаних обігрівати воду у басейні, повинна становити:

у разі критого басейну – близько 40 % площі дзеркала води;
у разі відкритого басейну близько 70 % площі дзеркала води.

Компанії, що продають і встановлюють сонячні колектори, пропонують використовувати їх не тільки для нагрівання води, але і для опалення. Насправді це можливо тільки для низькотемпературних опалювальних систем (наприклад для систем обігріву підлоги), температура теплоносія яких не перевищує 40 °С. І в цьому випадку потрібні колектори значно більшої площі, ніж для нагрівання води. Цей варіант вартий уваги, але підходить лише людям, які готові до великих витрат. З погляду економічності вкладення витрати дуже великі проти прибутком, навіть з огляду на енергоефективність.

Чому залежить ефективність?

Енергоефективність колекторів безпосередньо залежить від їх типу та правильного розташування. Велике значення має і те, до якої сторони світла звернене обладнання: найефективніші колектори, що «дивляться» у південному напрямку.Плоскийколектор може бути відхилений максимум на 15 0 у бік сходу або заходу - це знизить його ефективність незначно. Більший поворот потрібно компенсувати збільшенням поверхні приладу. Якщо будинок має невизначену орієнтацію на всі боки світла, краще використовуватитрубчасті колектори, які дозволяють варіювати положення абсорбера. Для таких установок допускається ширший діапазон відхилень від півдня, ніж плоских: кут нахилу абсорбера можна регулювати кожної труби індивідуально.

Складові геліосистеми.

Складові геліосистеми: а. Колектор б.Бак-акумулятор в. Циркуляційний насос м. Контролер д. Датчики температури

При природній циркуляції теплоносія бак-теплообмінник має бути розташований вище верхньої точки сонячного колектора. Таке розміщення викликає складнощі, особливо при монтажі колекторів на даху.

У системах з примусовою циркуляцією її забезпечує малопотужний насос, роботою якого керує спеціальний контролер. Потужність насоса невелика в порівнянні з тепловою енергією, що виробляється системою.

Використовуючи колектори, можна на 10-15% зменшити витрати на опалення і до 70% - на гаряче водопостачання.

Сонячні батареї.

Протягом однієї години на Землю потрапляє стільки сонячної енергії, скільки використовують усі її мешканці протягом року.

Для забезпечення автономності енергоспоживання будинку може бути використано два типи систем:

1.Гібридна або резервна на додаток до звичайної електромережі.

2.Замкнута як зразок незалежної автономної енергосистеми.

У разі зникнення напруги в електромережі при застосуванні першої системи зазвичай використовують бензинові абодизельні генератори, але по суті це ті ж несприятливі для навколишнього середовища міні-електростанції, ще й з невисоким ККД перетворення палива в енергію.У кращому випадку використовують альтернативне паливо. Заміною дизелю може служитибіогаз, який одержують у замкнутій ємності із звичайного компосту та відходів тваринного господарства, тадеревний газ, який виділяється за принципом піролізу з деревини та деяких органічних твердих частинок. Ці системи є складними у створенні, але, на жаль, як та інші досягнення альтернативної енергетики, мало поширені.

Як видобути електрику?

Говорячи про альтернативне енергозабезпечення, розглянемо повноцінну систему, що складається з джерела електроенергії, контролера заряду, накопичувача та перетворювача (інвертора).

Альтернативні джерела енергії — це відносно популярнівітряки та сонячні батареї, далі йдутьміні-ГЕС, термогенератори і дуже рідко використовуванівело-генератори. Міні-ГЕС мало де можна застосувати, термогенератори поки що дорогі, а велогенератори взагалі серійно не виробляють.Контролером заряду виступає електронна схема, що управляє, яка забезпечує раціональний збір електроенергії в накопичувачі. Останнім у 99% випадків виступає акумулятор, рідше використовуються іо-ністри, маховики та стиснене повітря, які рідко зустрічаються через складність конструкції та невисокого ККД стиснутого повітря, хоча ці агрегати можуть мати більшу циклічність.

Акумулятори. В автономних системах популярні кислотні акумулятори глибокого розряду, а також їх гелеві модифікації. Поки що акумулятори на основі літію є досить дорогими.

Інвертор найчастіше виступаєперетворювачем постійного струму акумулятора або банку з'єднаних акумуляторів змінний струм 220 або 380 В. В основному це -електронні пристрої, але дуже рідко зустрічаються і механічні.

Яка ціна сонячних батарей?

Скільки може коштувати замкнута автономна система для гарантованого забезпечення потреб будиночка, скажімо, площею 100 м2? Для такого завдання не варто вибирати системи потужністю менше 4 кВт. Найкраще використовувати 6 акумуляторів на 2 В 1500 А, розрахованих на 20 років спільної роботи. Така система зможе давати 20-30 кВт на день у середньому протягом року. У сумі разом із контролером заряду та інвертором установка обійдеться в40 000-50 000 доларів… Дорого? Стоп!

На цьому етапі 90% зацікавлених осіб відсіваються. Вони відразу починають рахувати, коли така система окупиться. Але купуючи новий автомобіль, мало хто вважає потенційну вигоду. Люди розцінюють цю покупку як критерій зручності та комфорту, який за фінансовими мірками ніколи не окупиться. А хіба з альтернативною енергетикою не так? Так! Але лише для екологічно свідомих людей.

Доступна ціна сонячних батарей.

Свідомим людям властиво економити і постійно шукати альтернативу. Наприклад,варто повністю відмовитися від електронагрівальних приладів. Тоді потреби в електроенергії одразу зменшаться вдвічі, а то й утричі.Краще використовувати світлодіодні лампи — якісні варіанти як мінімум удвічі ефективніші за ртутні енергозберігаючі лампи і як мінімум у десять разів ефективніші за лампи розжарювання.Енергоефективна техніка класів «А+» та «А++». Бажано відмовитися від використання кліматичної техніки. Якщо дотримуватися даних порад та використовувати альтернативу вищеописанимсистемам, можна побачити, що насправді потреби в електроенергії дуже мізерні. Так, на будинок може вистачити 500 Вт від сонячних батарей та 300 Вт від вітряка разом із двома-трьома акумуляторами на 12 В 200 А. Загальна вартість систем становитиме близько 3000 у. е. .

Щоб зрозуміти, що таке альтернативна електроенергія, можна почати з придбання сонячної батареї хоча б на 30 Вт та стартерного акумулятора з дешевим кіловатним інвертором. Можна навіть обійтися без контролера заряду і вкластися в 300 у. е. Вийде система, яка зможе забезпечити роботу всіх мультимедійних побутових електроприладів та всього малого та середнього електроінструменту.

Дешеві батареї пропонує Китай, вироби українських виробників вважаються якіснішими, але лише щодо відповідності паспортних характеристик стандартам. В принципі, будь-які системи будуть довго і надійно працювати, оскільки вони статичні, водо- і пилозахищені і не вимагають обслуговування. Також можна спробувати знайти за вигідною ціною саморобні варіанти батарей, які виробляють невеликі підприємства.

Поширені батареї на монокристалах, далі йдуть полікристалічні з дещо меншим ККД та плівкові з аморфного кремнію з ще нижчим ККД і сумнівною перевагою в ціні при великих габаритах.

Складові.

У ролі акумуляторів не варто використовувати стартерні батареї, хоча для пробної системи їх можна придбати з огляду на малу вартість.Найкраще вибирати з кислотних батарей глибокого розряду, які мають більший запас свинцю в пластинах, що дозволяє їм тривалий час не руйнуватися навіть у розрядженому стані. Гелеві батареї складаються із желеподібного електроліту, який ще більше покращує їх властивості.Ооптимальним є акумулятор на 300 А, ціна якого становить від 400 у. е. Можливо, вистачить і однієї штуки. При великих потребах складають цілі банки акумуляторів із 10 або 20 штук на стелажах. Для великих масштабів використовують промислові гелеві акумулятори з напругою 2 і ємністю 1500 А і більше. Для найбільш високих систем застосовують індустріальні повітряно-цинкові батареї, які служать до 50 років і витримують десятки тисяч циклів заряду/розряду. Останнім часом вони щороку дешевшають і, можливо, через 10 років стануть доступними для широкого використання у цивільному будівництві.

Початкова вартість контролера заряду - 25 у. е. залежно від моделі. Далі ціна пропорційна.

Інвертори діляться на синусоїдальні та з модифікованою синусоїдою.Перші приблизно вдвічі дорожчі і дозволяють запускати абсолютно всю техніку відповідно до своєї потужності. Установки з модифікованою синусоїдою успішно працюватимуть з мультимедійною технікою та більшістю електроінструменту.

Склавши всі складові, отримаємо недорогу, екологічну та автономну систему.