Автономное электричество и освещение на солнечных батареях: преимущества и особенности использования для дома

Как и когда стоит использовать солнечные батареи на даче?

Специфика применения солнечной электроэнергии зависит от множества факторов, среди которых можно выделить:

  • мощность солнечных батарей — позволяет заряжать емкие аккумуляторы, расширяет возможности по применению;
  • географическое расположение — в северных широтах применение солнечных панелей менее эффективно (разница по России до 40%);
  • мощность инвертора — максимальная мощность подключаемых электроприборов 220 В;
  • емкость аккумуляторов — увеличивает предел краткосрочной отдачи мощности системой, дает возможность копить энергию про запас ;
  • погодные условия — облачная, пасмурная, дождливая погода способна снизить эффективность батарей на 90%;
  • время года — зимой батареи не успевают наполнять аккумуляторы, летом наблюдается избыток мощности;
  • время суток — ночью работоспособность полностью зависит от емкости аккумуляторов.

Большая емкость аккумуляторов в сочетании с мощностью инвертора позволяет периодически использовать мощные электроприборы, оставляя аккумуляторы на длительную подзарядку до следующего приезда. Наиболее популярно применение солнечных батарей для вечернего освещения, работы мобильной вычислительной техники и небольших холодильников.

В зимнее время такие дачи чаще всего покидают, или дополнительно устанавливают систему ветрогенерации.

Что входит в комплект

Применяется солнечная батарея для дачи, комплект которой включает несколько функциональных элементов.

Панели. Их вид, количество и генерируемую мощность можно подобрать в зависимости от установленного на даче электрооборудования.

Аккумуляторы необходимы для накопления энергии и для ее при подключении мощных потребителей и в ночное время.

О назначении инвертора написано выше. Выходная мощность должна соответствовать сумме мощности используемых приборов.

Контроллер заряда увеличивает срок службы аккумуляторных батарей, некоторые виды способны взрываться при перезаряде.

Рост популярности применения солнечной энергии

Если вы поищете в интернете, то найдете немало положительных и даже восторженных отзывов о солнечных батареях от тех, кто уже их поставил. Их популярность растет по ряду причин. Например, стоимость использования того же газа или угля постоянно растет, а солнечные электростанции – это отличный резерв энергии для домов в небольших населенных пунктах, где часто отключают электричество. Солнечная энергия – лучшее решение для местностей, где рядом отсутствуют линии электропередач, и провести их нет технической возможности.

В промышленных масштабах производство таких установок налажено в таких странах, как:

  • Германия;
  • США;
  • Китай;
  • Украина;
  • Россия.

Устройство и принцип работы автономной СЭС

В комплект автономной электростанции входят:

  • Аккумуляторные батареи. На данный момент на российском рынке представлены в основном свинцовые АКБ, которые довольно дешевые, но имеют ограниченный ресурс.
  • При этом существует и другой тип АКБ — Li-Ion, которые многократно превосходят свинцовые по рабочему ресурсу, они служат дольше, но стоят дороже.
  • Солнечные модули — отвечают за преобразование солнечной энергии в постоянный электрический ток. Гетероструктурные модули имеют низкий температурный коэффициент и высокую эффективность.
  • Контролеры заряда/разряда — оптимизируют процесс энергообеспечения, минимизируют потери энергии и продлевают срок автономной работы системы.
  • Инверторы — оборудование для преобразования постоянного тока, получаемого от солнечных панелей, в переменный 220В.
  • Вспомогательные элементы — солнечный кабель, электрический щит, MC4 коннекторы.

В солнечные дни модули вырабатывают электрический ток постоянного напряжения. Этот ток поступает к контроллеру, который стабилизирует его в диапазоне, подходящем для заряда аккумуляторов. Владелец электростанции может на свое усмотрение настраивать схему работы оборудования. Первый вариант: когда АКБ получают полный заряд, излишки электроэнергии направляются к инвертору напряжения. Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный и подает его в энергосистему объекта. Второй вариант: система подает энергию на потребителя, а потом уже на АКБ.
Когда солнечной активности нет (ночь) или ее недостаточно (пасмурный день, объект получает электрическую энергию из аккумуляторных батарей или сети при ее наличии В систему можно включать дополнительный источник альтернативной электрогенерации (обычно бензиновый, дизельный или ветровой генератор).
Пример — автономная СЭС, комплект «Расширенный+» 2,32 кВт ФЭМ, 9,6 кВт/ч АКБ от АО «Мосэнергосбыт».

Преимущества автономных СЭС

  • Подходят для электрификации любых объектов;
  • быстрый монтаж, не нужны разрешения;
  • относительная доступность — в некоторых районах подключение к централизованным коммуникациям обойдется значительно дороже, плюс придется платить за израсходованную электроэнергию, солнечная энергия бесплатная;
  • отсутствие скачков напряжения, внезапных отключений, которые провоцируют поломку бытовой техники/оборудования;
  • стабильная подача электроэнергии — за счет АКБ обеспечивается ее резервирование.

Стоимость солнечной станции зависит от потребностей владельцев. Солнечная станция мощностью 4 кВт в среднем вырабатывает за год 5 МВт*ч. В зимние месяцы средний объем генерируемой энергии составляет 80 кВт, в летний период — до 700 кВт*ч.

На что обратить внимание при выборе

Мощность, количество светодиодов

Очень важный параметр. От него зависит уровень освещенности, яркости светильников, их количество, расстояние между ними. Мощность обычно указывается в Ваттах. Как правило, покупатели лучше всего представляют себе мощность более привычных ламп накаливания. Поэтому существуют таблицы с аналогами мощностей светодиодных ламп и ламп накаливания.

Исходя из такой таблицы, не трудно прикинуть, какой мощности необходимы led-лампы для создания подсветки или полноценного освещения.

Степень защиты IP

Указывается на всех электрических приборах. Первая цифра показывает, насколько светильник защищен от проникновения пыли, твердых частиц. Вторая отмечает уровень защиты от влаги, брызг, струй воды.

Для безопасной работы корпус и батареи должны быть защищены от попадания пыли, влаги. Для уличной установки рекомендуется класс защиты не менее IP44. Чем выше, тем безопасней. Для фонтанных фонарей IP составляет не менее 67.

Тип стекла

Зависит от климата, количества солнечных лучей. Для южных регионов, где солнце – частый гость на небе, можно выбрать панели с гладким стеклом.

Если погода преобладает облачная, то стоит выбрать рефлекторное стекло. Оно позволит максимально использовать рассеянные солнечные лучи для зарядки аккумуляторов.

Закаленное стекло рекомендуется для общественных пространств, чтобы защитить панели от повреждений.

Вид кремния в светильниках

Зависит от эксплуатации. Более дорогие мульти-, монокристиллы подходят для круглогодичного использования. Для дачного летнего использования достаточно поликристаллов.

Если есть возможность установки больших по площади солнечных батарей, то можно пользоваться тонкопленочными. Они недороги, вырабатывают довольно дешевую энергию.

Специалисты сходятся во мнении, что свойства солнечных панелей гораздо сильнее зависят от качества изготовления, чем от типа

Лучше обращать внимание на репутацию производителя для выбора надежного изделия. Хорошо зарекомендовали себя венгерская фирма Novotech, австрийская Globo Lighting и др

Тип и емкость аккумулятора

Стандартного заряженного аккумулятора емкостью 600-700 мА/час хватит на 8-10 часов работы ночью. Исходя из конкретных потребностей в освещении, можно выбрать как менее емкие батареи, так и более емкие

Для этого обращайте внимание на время работы ламп при полном заряде аккумулятора. Для освещения в течение всей ночи лучше выбирать аккумуляторы с напряжением не менее 3 В

Тип аккумулятора не играет роли для характеристик светильников: оба вида отличаются стабильной работой при температурах от -50⁰С до +50⁰С. Никель-металлогидридные стоят дороже, но служат несколько дольше. В состав никель-кадмиевого аккумулятора входит экологически ядовитый кадмий, поэтому могут возникнуть трудности с его утилизацией.

Качество контроллеров и дополнительные опции

От контроллеров зависит срок службы светильников, автономность, другие характеристики. Дополнительные устройства, типа датчика движения, фотореле, позволяют не задумываться о включении и выключении фонарей.

Внешний вид, способ установки

Дизайн важен для декорирования местности.

Способ установки выбирается в зависимости от назначения. Для садовых светильников достаточно ножки, втыкаемой в землю. Более «серьезные» осветительные приборы требуют подвесного монтажа или высокой опоры.

Виды солнечных электростанций

В зависимости от потребностей объекта существуют различные типы солнечных электростанций (СЭС) и источников бесперебойного питания (ИБП). «Мосэнергосбыт» предлагает для установки следующие решения:

  • сетевые СЭС;
  • автономные СЭС;
  • гибридные СЭС;
  • системы резервного питания на базе АКБ с функцией ИБП (сетевые, без использования солнечной энергии).

Комплекты оборудования в каждом случае могут различаться и подбираются индивидуально в зависимости от потребностей заказчика. Наши специалисты обязательно проконсультируют вас перед покупкой и помогут подобрать наиболее выгодное предложение.

Виды кремниевых батарей

Наиболее популярными являются кремниевые батареи. Они отличаются долговечностью и качественной работой. Их различают два вида: монокристаллические и поликристаллические.

Виды пленочных батарей

Теперь рассмотрим виды солнечных батарей пленочного типа. Пленочная панель достаточно недавно появилась в сфере получения альтернативной солнечной энергии. На сегодняшний день они не пользуются большой популярностью, в том числе и из-за высокой стоимости, но имеют свои преимущества. Они бывают нескольких типов. Рассмотрим каждый из них: на основе теллурида кадмия и на основе Cigs.

Устройство солнечных батарей

Солнечная батарея – это набор фотоэлементов. Эти полупроводниковые (фотоэлектрические) устройства, объединенные в панели, преобразуют энергию солнечных лучей непосредственно в постоянный ток.

Конструктивно гелиопанель (она представлена схематически ниже на фото) в общем виде состоит из следующих частей:

  • рамки;
  • стеклянного покрытия;
  • фотоэлементов;
  • токопроводящих металлических контактов;
  • основы (обратной стенки);
  • пленки из полимерного материала.

Устройство гелиопанели

Корпус (рамка, основа, стеклянное покрытие) предназначены для фиксации фотоэлементов, защиты их от разрушительного воздействия внешней среды. Каркасные детали изготавливают из диэлектрических материалов. Фотоэлементы к корпусу крепятся таким способом, чтобы их замена была возможной.

Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на сегодняшний день изготавливают из различных химических элементов. Но широкое промышленное распространение получили кремниевые фотоэлементы. Эти пластины состоят из двух, отличающихся физическими свойствами, слоев кремния.

Кремний – это полупроводник. Каждый слой батареи имеет свои особенности:

  • внешний слой фотоэлектрического преобразователя содержит избыточное количество электронов (n-слой) – выступает в роли катода (отрицательного полюса);
  • во внутреннем слое электронов не хватает (p-слой) – является анодом (положительным полюсом).

В результате неоднородности (разного типа проводимости) кремниевых полупроводниковых слоев ФЭП между ними устанавливается р-n переход. Возникает электронно-дырочная проводимость.

Неоднородность слоев фотоэлемента достигается несколькими способами:

  • добавлением в один и тот же полупроводниковый материал разнообразных примесей (легирование);
  • соединением разных по свойствам полупроводников;
  • изменением состава;
  • комбинированием нескольких способов.

Коэффициент полезного действия (КПД) заводских ФЭП в среднем составляет 16 %. Эффективность лабораторных моделей достигла почти 45 %. Идет процесс усовершенствования гелиопанелей.

Плюсы отопления на солнечных батареях и минусы

Многие считают, что солнечные батареи доступны только состоятельной части населения. Но это не так, средний класс также может позволить воспользоваться солнечной панелью. Так при одноразовом вложении в покупку можно экономить на электроэнергии последующие 25 лет. На эффективность работы оборудования влияет климат, но даже в зимой можно использовать панель.

Плюсы установки солнечных батарей:

  1. Солнце как источник энергии можно найти в любой точке земли. Это бесплатный и неисчерпаемый источник энергии.
  2. Конструкция полностью автономна. Человеческий фактор на работу панели не влияет, только солнечная энергия.
  3. Цена на батареи снижается, а их качество повышается.
  4. Солнечная энергия – абсолютно бесплатный источник энергии.
  5. Можно самостоятельно определять количество потребляемой энергии.

Но сама покупка батареи и всех ее составных элементов требует значительных финансовых вложений. Также выделяют и другие недостатки солнечных модулей. Использовать прибор в зимнее время и при большой облачности достаточно трудно. Поверхность панели должна быть открытой, а для эффективной работы потребуется солнце.

Стоимость батарей можно смело относить к недостаткам. Также минусом считается низкий КПД при облачной погоде. Чтобы применять получаемую энергию на практике потребуется приобрести комплект специального оборудования: аккумуляторы, инверторы. Потребуется подождать, прежде чем прибор окупит себя. Потребуется очищать панели от пыли, грязи, снега.

Техника для сада

Если владельцы дачи или частного дома собираются часто пользоваться электрическим инструментом на улице – не обязательно покупать многометровые удлинители и разбрасывать их по всему участку. Можно обойтись вообще без подключения к сети, купив работающую на солнечных батареях электростанцию. Неплохие модели разной мощности выпускает компания EcoNRJ. В списке ее продукции есть решения на 300-1000 Вт, позволяющие зарядить телефон или запустить ноутбук, а также устройства на несколько киловатт для работы дрели, шуруповерта или насоса.

Солнечная электростанция, конечно, неплохое решение – но перетаскивать ее постоянно на новое место не всегда удобно. Поэтому, если есть такая возможность, стоит купить оборудование со своими работающими от солнца аккумуляторами.

Робот-газонокосилка Husqvarna Automower SolarHybrid

Одно из таких устройств – робот-газонокосилка Husqvarna Automower SolarHybrid. Правда, если ей не будет хватать солнечной энергии, она будет автоматически искать зарядную станцию. Среди других особенностей модели – встроенный GPS-модуль, контролирующий местоположение и перемещение косилки, модуль для отправки SMS в непредвиденных ситуациях и блокировка PIN-кодом в случае кражи.

Отсутствие электричества на даче или в доме – не повод для того чтобы купаться в холодной воде. Избежать простуды или просто обеспечить комфортные условия для купания поможет покупка душа с солнечной батареей. Выбор таких устройств такой же широкий, как светильников. Как правило, они выпускаются в виде сумок объемом 20-30 литров, которые можно брать с собой в дорогу – в продаже такие водонагреватели встречаются под названием «переносного душа» или «душа для кемпинга».

«Солнечный» водонагреватель обычно устанавливается на крыше летнего душа 

Если вам необходимо обустроить стационарный душ, стоит отдать предпочтение целой системе, в которой солнечная батарея устанавливается на крышу душевой кабины и способна обеспечить нагрев больше 100 литров воды. Среди таких систем – нагреватель XFS-II-20-170 на 170 л.

Генератор на теневом эффекте

В период солнечного минимума учёные из Сингапура предложили нечто иное. Прибор работает на контрасте света и тени, преобразую этот самый контраст в электричество. Для удобства генератор прозвали SEG (shadow effect energy generator). Контраст вызывает разницу потенциалов — необходимое условие возникновения тока.

SEG представляет собой набор ячеек на прозрачной пластиковой пленке. Данные ячейки ничто иное как золотая пленка на кремниевой пластине. Что удивительно, несмотря на наличие золотой плёнки, SEG выходит дешевле, чем просто кремниевые аналоги. Но на этом плюсы не заканчиваются. Проведя эксперименты, стало ясно, что в условиях переменной освещенности SEG в 2 раза эффективнее солнечных батарей, причем максимальное количество электричества удалось получить, когда половина поверхности была освещена, а другая половина находилась в тени. Худшие результаты зафиксированы при полной освещённости и полной тени.

На данный момент, SEG создавался под смартфоны и мелкую бытовую электронику, требующую периодической подзарядки. Из-за ориентированности на переменную освещенность, теневой генератор должен заменит солнечные батареи в домах.

Ещё в SEG обнаружилась интересная особенность, которая открывает для него немного иной рынок. В связи с тем, что генератор мониторит изменение освещённости, он может служить автономным датчиком движения. Учёные провели очередной эксперимент, и догадка подтвердилась. Когда человек или домашнее животное отбрасывают даже прерывистую тень датчик запускается и ведёт запись. Для систем сигнализаций это может стать интересной альтернативой обычным датчикам и камерам, так как SEG полностью автономен.

Работа по улучшения генератора продолжается: сейчас ученые пробуют заменить золото другим материалом, чтобы ещё снизить себестоимость.

История развития

Свое развитие батареи солнечные начали еще в далеком XIX веке. Предпосылкой этому стали революционные исследования о преобразовании энергии Солнца в более материальную составляющую.

Первые солнечные панели имели КПД всего 1%, а их химической основой являлся селен. Первый вклад в развитие таких элементов питания внесли А. Беккерель, У. Смит, Ч. Фриттс.

Но использование всего 1% от всей энергии, поступающей на солнечную панель – это очень мало. Данные элементы не могли обеспечить бесперебойное питание техники, поэтому исследования продолжались.

В 1954 году трое ученых – Гордон Пирсон, Дэррил Чапин и Кэл Фуллер – изобрели батарею уже с КПД 4%. Она работала на кремнии, а впоследствии ее КПД было увеличено до 20%.

На данный момент солнечные батареи продуцируют только 1% от всей энергии в мире. Их в основном проводят в места труднодоступные для электрификации. Широко применяют этот источник питания в космической промышленности. Специалисты считают, что такому аккумулятору открыты все пути, ведь с каждым годом солнечная активность возрастает.

В наших широтах данные элементы питания устанавливают в частных домах при экономии энергопотребления и заботе об окружающей среде.

Плюсы и минусы

Замысел создать независимую от сетевых источников систему наружного освещения, которое будет само обеспечивать себя электроэнергией, привлекателен и весьма заманчив. Возникает комплекс осветительных приборов, созданный на совершенно иных принципах и создающий новые возможности.

Поскольку соединения с линией электропитания у светильников не имеется, отпадает необходимость в привязке к одному месту. Фонари можно перемещать по мере необходимости, временно устанавливая то в одном, то в другом месте. Значительно упрощается прокладка линий освещения, исчезает необходимость в проведении земляных работ, отпадает потребность в большом количестве дорогостоящего кабеля.

Однако, рассматривая автономную систему освещения, нельзя видеть только положительные стороны от ее использования. Необходимо учесть, что каждый светильник должен обладать собственным комплектом солнечных батарей и накопительной емкостью, позволяющей лампе работать на протяжении всего темного времени суток. Чем оно длительнее, тем мощнее должны быть аккумуляторы и больше площадь фотоэлементов, что усложняет конструкцию и делает ее значительно дороже. В результате может получиться ситуация, когда создание автономной системы окажется значительно дороже, чем монтаж стационарной линии.

Назначение

Автономное освещение на солнечных батареях предназначено для обеспечения нормальной видимости на улицах города или на участках частных домов в темное время суток. В отличие от стационарных фонарей, уличные фонари на солнечных батареях для освещения улиц требуют определенного времени на зарядку аккумуляторов, которая производится в светлое время суток. Как правило, освещение в такие часы не требуется, поэтому оборудование имеет возможность восстановить истраченный за ночь запас энергии.

Подобное освещение можно сделать при помощи обычных светильников и протянутого между ими кабеля или установив светильники на солнечных батареях

Достоинства

Почему частично? Потому что наиболее «ответственные» зоны (ворота, парковка, входные двери) придется освещать стационарно — так надежнее. Зато на остальной площади можно поставить светильники на солнечных батареях. Они имеют целый ряд преимуществ.

  • Светильники на солнечных батареях обычно автономны, их не надо никуда подключать. Их устанавливают/развешивают в нужных местах, на этом монтаж закончен, они готовы к работе.
  • Включаются/выключаются они сами, от встроенных датчиков.
    Простота монтажа и безопасность — два больших плюса
  • Требуют минимального ухода — надо периодически протирать фотоэлементы и плафон светильника от пыли и грязи.
  • Имеют длительный срок службы — от 10 лет и более (при надлежащем качестве).
  • Не наносят вреда окружающей среде и абсолютно безопасны, так как работают от низкого напряжения, которое не опасно для человека.
  • Если уличное освещение на солнечных батареях сделано на даче, его консервация на зиму и установка занимает совсем немного времени. Надо просто собрать светильники перед отъездом и расставить по приезде.

Недостатки

Как видите, плюсов немало, главный из которых — экономия электроэнергии и очень простой монтаж/демонтаж. Но и минусы есть:

  • Садовые и уличные светильники на солнечных батареях свет дают обычно не очень яркий. Использовать их в качестве охранного освещения не получится. Вернее, есть мощные модели, которые применяют даже для освещения автотрасс, но их стоимость совсем негуманная, из-за чего использование их на частных подворьях очень ограничено.
    Уличное освещение на солнечных батареях обычно не очень яркое
  • Количество часов работы в ночное время зависит от погоды: при пасмурной дождливой погоде светильники «запасают» слишком мало энергии. Иногда ее хватает лишь на несколько часов, а не на всю ночь.
  • Надежные светильники на солнечных батареях стоят дорого, зато работают надежнее и дольше.
  • Солнечные панели имеют ограниченный диапазон эксплуатационных температур. Они плохо переносят сильные морозы и сильную жару. Потому использоваться оптимально могут на территориях с умеренным климатом.

Как видите, вариант не идеальный, но действительно помогает экономить на электричестве, ведь штатное освещение ответственных зон — это далеко не половина расходов на общее освещение двора и сада.

Шаг 5: Выбор инвертора

Солнечные батареи получают солнечные лучи и конвертируют их в электричество, они являются источниками постоянного тока (DC), также как аккумуляторная батарея, а нам для подключения розеток требуется переменный ток с напряжением 220В. Постоянный ток (DC) преобразуется в переменный ток (AC) через устройство под названием инвертор.

Виды волн переменного тока на выходе инвертора:

  1. Прямоугольная волна – меандр;
  2. Модифицированная синусоида;
  3. Чистая синусоида.

Инвертор прямоугольной волны дешевле всех, но подходит не для всех приборов. Инвертор модифицированной синусоиды тоже не предназначен для обеспечения электричеством приборов с электромагнитными или ёмкостными компонентами, типа: микроволновых печей; холодильников; различных типов электродвигателей. Инверторы с модифицированной синусоидой работают с меньшей эффективностью, чем инверторы с чистой синусоидой.

Мы рекомендуем выбирать инверторы с чистой синусоидой.

Параметры инвертора:

  • Мощность инвертора должна быть равной или больше, чем мощность всех приборов нагрузки, включенных одновременно;
  • Если есть приборы с пусковыми токами (электродвигатели), нельзя чтобы она превышала максимальную мощность инвертора с учетом других электропотребителей;
  • Предположим, что у нас будет: телевизор (50Вт) + вентилятор (50Вт) + настольная лампа (10Вт) = 110Вт;
  • Чтобы иметь запас по мощности, выбираем инвертор от 150Вт. Так как наша система 12В, мы должны выбрать инвертор постоянного тока 12В в 220В/50Гц переменного тока с чистой синусоидой.

Примечание: Такая техника как стиральная машина, холодильник, фен, пылесос и т.д. имеют начальную потребляемую мощность во много раз больше, чем их нормальная рабочая мощность. Как правило, это вызвано наличием электрических двигателей или конденсаторов в таких приборах

Это должно быть принято во внимание при выборе мощности преобразователя (инвертора). 

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий