Солнечные батареи: преимущества и недостатки

Плюсы и минусы солнечных батарей

Значительные и устойчивые успехи в развитии фотоэлементов были движущими силами для роста альтернативной энергетики в последние десятилетия. Солнечная энергия стала не только источником возобновляемой энергии, но и составила серьезную конкуренцию традиционному производству электроэнергии. В рамках решения по выработке экологически чистой энергии, естественно, есть плюсы и минусы солнечных электростанций .

Преимущества солнечных систем

Учитывая то, что государство сегодня активно занимается поддержкой альтернативных источников энергии, стоит оценить, какие позитивные возможности предоставляются человечеству.

Экологически безопасное предприятие

Солнечная энергия является чистым, возобновляемым, устойчивым и практически бесплатным ресурсом после первоначальных инвестиций. Как только система запущена, не нужно тратиться на обеспечение необходимы для ее функционирования фотонов, поскольку они поступают естественным путем. Генерация полностью бесшумна, за исключением установок, которые имеют маневрирующие основы. Их работа не вызывает вибрации, не имеет выбросов ядовитых газов в атмосферу.

Благодаря этой особенности, многие страны снижают риски возникновения экологической катастрофы, отголоскам которой регулярно подвергается наша планета. Эта особенность и послужила буму разработки источников, которые могут обеспечить мир экологически чистым топливом, без загрязнений атмосферы.

Солнечная энергия уменьшает счета за электричество

Генерация собственной энергии помогает сэкономить на использовании коммунальных услуг, которые ежедневно дорожают. Оценки показывают, что среднее домашнее хозяйство может покрывать 50% своих ежемесячных потребностей в энергии с помощью собственной панели альтернативной энергетики. Фактически, это стало бы сильным стимулом для многих людей перейти на такое энергообеспечение. Установки такого плана могут генерировать финансовую прибыль путем подачи избыточной энергии в местную сеть. Это достигается, благодаря введенному зеленому тарифу, который помогает обладателям установки окупить приобретение и монтаж установки.

Разнообразные вариации станций

Разработка альтернативных источников – захватывающая тема. Существуют бесчисленные вариации того, как и где можно использовать солнечную энергию – в качестве природного или автономного решения. Использование энергии Солнца варьируется от обычных установок на крыше и на полу до современных активных фасадов зданий, вплоть до универсального применения в государственном секторе, например, в качестве автономных зарядных станций.

Технология производства постоянно развивается

Скорость, с которой происходят эти события, все еще высока. Развитые страны совершают все новые и новые прорывы в данной индустрии, благодаря чему стимулируют развитие альтернативной энергетики. Это означает, что солнечные элементы получат большую значимость в будущем, наряду с эффективностью, универсальностью и возможностями получения финансовых доходов.

Развитые страны на региональном и национальном уровне признают необходимость и значительную ценность альтернативной энергии. Для дальнейшего продвижения таких ресурсов компании и домовладельцы продолжают получать привлекательные финансовые стимулы. Эти гранты призваны обеспечить дополнительную мотивацию для принятия решения о солнечной энергии – инвестиции, которые окупаются на многих уровнях.

Недостатки солнечных панелей

Несмотря на огромное количество положительных черт, идеального производства не существует, поэтому необходимо ознакомиться с возможными отрицательными сторонами этого производства, взвесить все за и против.

Альтернативная энергия нуждается в постоянном дневном свете. Этот факт логически предполагает, что солнечные элементы не могут генерировать электричество ночью. Кроме того, их функция может быть ограничена возможными препятствиями, такими, как грязь и снег на поверхности, или даже тенями от близлежащих объектов, блокирующими поступающие солнечные лучи.

Решение проблемы дневного света или трудности преодоления погоды с ярким прямым солнечным светом было найдено путем добавления к установке индуктора и аккумулятора. Это дает возможность системе накапливать избыточную мощность, вырабатываемую солнечными элементами в батареях, непосредственно на месте для последующего использования – например, ночью или в другое время, когда свет Солнца отсутствует или является временным явлением.

Низкая эффективность светопоглощения

Максимальная восприимчивость обычных солнечных элементов составляет чуть более 20%. Каждый тип производства электроэнергии имеет ограничения в эффективности по ряду причин. Это могут быть материальные составляющие, естественные отклонения между компонентами системы или факторы окружающей среды, снижающие энергопотребление.

Современные элементы альтернативных систем сегодня работают с КПД от 14 до 22,5%. Исключением являются конструкции, предназначенные для космических полетов. Однако, по причине их высокой стоимости, они актуальны только для государственных космических организаций и высокопроизводительных приложений. Тем не менее, эти элементы и коллекторы также имеют предел эффективности около 40%.

Солнечные системы требуют значительных начальных инвестиций

Хотя, конечно, все формы самодостаточной и возобновляемой энергии требуют первоначальных инвестиций, финансовые затраты неизбежно окупаются со временем. Безусловно, срок окупаемости варьируется и зависит от нескольких факторов:

• суммы первоначальных инвестиций;
• количества произведенной электроэнергии;
• финансовых результатов.

Время, которое требуется заводу для достижения полной окупаемости производства иногда намного длиннее, чем срок годности оборудования. Чтобы реально оценить перспективы прибыли, рассчитывается индекс энергоэффективной амортизации.

Солнечные системы производят постоянный ток

Инверторы преобразуют ток, генерируемый солнечными модулями, из постоянного тока в переменный. Это необходимо для использования в частном домашнем хозяйстве, на предприятии и для электроснабжения населения.

Хотя это может быть воспринято как «дополнительные расходы», это лишь часть общих инвестиций в систему по выработке энергии на основе солнечной активности. И, как упоминалось ранее, такие панели оказываются весьма привлекательными источниками, благодаря некоторым особенностям – экологически чистыми, возобновляемыми и устойчивыми.

Вывод

Место для системы переработки солнечной энергии должно быть тщательно спланированным. Прежде всего, нужно убедиться, что панели не затенены. Нельзя допускать их загрязнения пылью или занесения снегом. Для достижения наилучших результатов конструкция должна быть расположена оптимально – под углом прямого солнечного света. Большинство солнечных модулей фиксируется в стабильном положении (за исключением динамических установок, так называемых солнечных трекеров, которые мобильны и следуют за Солнцем, чтобы поглотить как можно больше света). Таким образом, подходящее планирование местоположения является круговым – с его помощью можно гарантировать продолжительность света и возможный угол.

Полезные видео по теме:

Типы солнечных батарей: как устроены и как выбрать

Тем, кто хочет использовать технологии альтернативной электроэнергии, необходимо различать типы солнечных батарей. Эта сфера активно развивается, и на рынке представлены несколько разновидностей, но далеко не каждый тип подходит для использования в условиях климата России.

Ошибка в выборе обернется пустой тратой средств на батарею и ее монтаж, так как КПД будет нулевым. В нашей статье мы расскажем, какие бывают типы солнечных батарей, поговорим об их дополнительной классификации и разберем правила выбора и ухода за этим оборудованием.

Принцип работы солнечной батареи

Солнечная батарея – это экологически чистый источник энергии, используемый не только в промышленных масштабах, но и для локального домашнего пользования. Преобразуя солнечные лучи в постоянный ток, мы получаем возобновляемую энергию для обеспечения работы мелкой бытовой техники и даже подзарядки электромобилей, при этом не используя подключение приборов к электросети.

Фото: ozon.ru

Солнечная батарея работает по принципу фотоэлектрического преобразователя. При помощи полупроводников радиация солнца концентрируется на панелях, и в результате мы получаем электроэнергию с напряжением 220 В.

Внешний вид стандартной солнечной панели представляет собой прямоугольник-пластину. Это ее самая узнаваемая форма. На ней размещается определенное количество кремниевых пластинок, покрытых закаленным стеклом. Благодаря системе проводников свободные потоки частиц накапливаются в аккумуляторе, и при помощи инвертора постоянный ток преобразуется в переменный с напряжением 220 – 230 В.

Для крупного объекта, например, дома или квартиры, одной такой панели будет недостаточно: понадобится несколько, в зависимости от количества необходимой энергии. Особое внимание во время установки обратите на крепление конструкции.

Преимущества использования солнечных батарей

Рассмотрим подробнее плюсы использования солнечных батарей:

• Автономность. Эксплуатация подобного рода источника альтернативной энергии не зависит от цен на коммунальные услуги или работы топливно-энергетического комплекса страны в целом. Если с задачей отопить дом полностью солнечная панель может не справиться, то на обеспечение энергией котла отопления ее мощности будет достаточно.
• Экономичность. Чтобы начать использовать панели как источник энергии, не обязательно обустраивать для этого специальное место. Значительно снижается стоимость услуг в период отопительного сезона. Мощности солнечной батареи хватит на обслуживание бытовых электроприборов. Кроме того, окупаемость установки наступает в течение 3 лет, а прослужит изделие в среднем 25 лет.
• Простота установки. Для монтажа солнечной батареи не требуется разрешение каких-либо государственных органов.
• Экологическая безопасность. Является экологически чистым источником альтернативной электроэнергии. Солнечные батареи безопасны для человека и природы.

Кроме достоинств использование солнечных батарей имеет и ряд недостатков. Главный из них – это зависимость от климатической зоны и погодных условий. В дождь, снег и пасмурную погоду работа панелей неэффективна. Кроме того, в масштабах одного дома/квартиры одной установки все равно не хватит, чтобы удовлетворить все запросы по его обеспечению электроэнергией.

Не стоит забывать и о том, что постройка крупных солнечных электростанций требует вложения больших средств. В идеале эксплуатация солнечной батареи по затратам должна выходить дешевле, чем использование классических газа и электричества.

Типы кремниевых солнечных батарей

Основной компонент состава, из которого изготавливаются солнечные батареи – это кремний. В России внушительное количество его залежей сосредоточено на Среднем Урале и в Западной Сибири, что в перспективе обеспечивает развитие использования альтернативных источников энергии. Кремний прост в добыче и отличается хорошими проводниковыми свойствами.

Монокристаллические батареи

Современные монокристаллические батареи изготавливаются из самого чистого кремния, без использования примесей. Для одной такой панели из цилиндрического бруска металла вырезают несколько слоев кремния. В готовом виде блоки имеют вид закругленного квадрата, проще – соты. В производстве используют только односторонне ориентированные кристаллы кремния.

После того как они затвердеют, их нарезают на тонкие пластины и соединяют электродной сеткой. Для работы готовой панели также требуется дополнительное оборудование, чтобы в течение дня разворачивать ее для захвата солнечных лучей. Значительные затраты на сложное производство несут в себе внушительную цену готового изделия. Однако высокий КПД (17-25%) такой солнечной батареи компенсирует все минусы.

Поликристаллические батареи

В отличие от первого типа, производство поликристаллических батарей значительно дешевле за счет того, что кремний используется не такой чистоты. Кроме того, на производстве опускается стадия вытягивания, а кремниевый состав получают путем постепенного охлаждения. Но вместе со снижением затрат на производство уменьшается и КПД такой панели – всего 18% и менее.

Аморфные батареи

Изготавливаются такие панели как при помощи кремния, так и с использованием пленочной технологии.

В качестве основы панели используют силан, иными словами, кремневодород, который наносят на подложку батареи. Несмотря на довольно низкий КПД устройства (до 5%), элементы из аморфного кремния способны более эффективно использовать рассеянный солнечный свет, а значит, имеют возможность осуществлять деятельность по производству тока даже в пасмурную погоду. Это, безусловно, их главное преимущество на рынке.

Фото: ozon.ru

Типы безкремниевых солнечных батарей

Кроме кремния для изготовления солнечных батарей также используют и ряд других редких и дорогостоящих металлов. Они обладают высоким КПД (более 30%), но проигрывают своим кремниевым оппонентам в высокой цене.

Солнечные панели из редких металлов

Такой тип солнечных батарей активно используется в экстремальных погодных условиях, к примеру, его применяют для облицовки зданий в эквариториальной Африке, где днем поверхности могут нагреваться до 80 градусов. Для их изготовления обычно используют теллурид кадмия.

Среди других металлов для изготовления солнечных батарей широкую известность получили селенид индия-меди-галлия (CIGS) и селенид индия-меди (CIS).

Не стоит забывать о том, что кадмий – довольно токсичный металл, а галлий, индий и теллур настолько редки и отличаются крайне высокой ценой, что наладить массовое производство с использованием этих металлов практически невозможно.

Из-за высокого показателя КПД этот тип солнечных батарей активно использовался в космической отрасли.

Плюсы и минусы солнечной энергии

Как снабжать человечество электроэнергией без вреда для окружающей среды – главный вопрос, которым не так давно задавались современные исследователи. Мы уже научились добывать энергию с помощью сооружения волновых, приливных, геотермальных, ветряных и солнечных электростанций. Прогресс технологий подарил нам уникальную возможность использовать Солнце с помощью установленной системы либо же портативных батарей в индивидуальных целях. В этой статье мы рассмотрим плюсы и минусы солнечной энергии, а также коротко расскажем о том, что собой представляют гелиопанели и где их используют.

Устройство солнечных батарей

Возможность использования солнечной энергии подарила нам такая наука, как гелиоэнергетика. Именно она исследует и разрабатывает устройства, которые занимаются преобразованием излучения Солнца в электрическую и тепловую энергию.

К таким устройствам относится солнечная батарея. Это плоская, с защитным покрытием конструкция из фотоэлементов, являющихся полупроводниками. Они обеспечивают процесс преобразования солнечной энергии в электрическую. Благодаря разнообразию размеров, их применяют в различных сферах жизнедеятельности.

Например, для обеспечения электричеством частного дома потребуется установка, которая включает следующие составляющие:

С помощью инвертора постоянный ток, который создается в ясный день, проходит процесс преобразования в переменный, а далее распределяется на потребителей электричества. Нерасходуемое электричество накапливается в аккумуляторах и используется ночью или в непогоду. Контроллер следит за зарядом аккумуляторов.

Рассмотрим подробно плюсы и минусы солнечных батарей.

Преимущества

Использование солнечных батарей имеет следующие преимущества:

• доступность источника энергии;
• постоянное и независимое энергоснабжение;
• бесплатное потребление;
• экологичность;
• бесшумность;
• высокая износостойкость.

Каждое из этих достоинств мы опишем более подробно.

Доступность источника энергии

Солнце освещает практически каждый участок поверхности Земли. Поэтому человек может воспользоваться преимуществами использования солнечной энергии. Также следует отметить, что потенциал этого типа энергии в рамках всемирного масштаба многократно превышает потребность в ней.

Постоянное и независимое энергоснабжение

В отличие от полезных ископаемых, энергия Солнца неисчерпаемая и всеобъемлющая. Конечно, как и все на нашей планете имеет свой конец, так и Солнце может иссякнуть. Но когда это произойдет – никто наверняка не знает. Помимо этого, ни солнечная панель, ни сам источник не требует каких-либо затрат на содержание. Этот факт делает вас абсолютно независимым от цен и транспортировки электроснабжения.

Бесплатное потребление

Как мы уже упоминали, Солнце – источник бесплатной энергетики. Некоторые затраты потребуются лишь на установку системы, которая обеспечит вас электричеством. Но в данном случае их можно отнести к долгосрочным инвестициям.

Экологичность

Глобальное потепление – серьезная проблема. Использование солнечных батарей помогает снизить расход природных ресурсов, а их производство и принцип работы не сопровождаются выбросом вредных веществ в атмосферу. Поэтому они являются абсолютно экологичными.

При установке системы, перерабатывающей солнечную энергию в электричество, вы можете быть уверенны в ее безопасности для окружающей среды и своих родных и близких.

Бесшумность

Генерация электроэнергии происходит совершенно бесшумно по причине отсутствия движущихся деталей в конструкции солнечных панелей. Устанавливая систему на крыше своего дома, можно не беспокоиться о постоянном гуле, который, например, издают электрические столбы.

Высокая износостойкость

Срок службы такой системы электроснабжения составляет около 25 лет. С течением времени КПД панелей начинает снижаться. В виду простоты конструкции, ее всегда можно заменить на новую.

Недостатки использования солнечных батарей

Солнечная энергия, а именно ее использование, предусматривает также и минусы, не смотря на вышеописанные плюсы.

К недостаткам относят следующие факторы:

• высокая цена;
• низкий КПД;
• большая площадь, занимаемая системой;
• зависимость работы от погодных условий.

Стоимость монтажа системы, которая сможет удовлетворить индивидуальные потребности человека, непомерно высока. Не говоря уже о том, чтобы снабдить электроэнергией целый дом. Это объясняется следующим пунктом.

Низкий КПД

Продуктивность солнечных батарей намного ниже, по сравнению с традиционными источниками электроэнергии. Например, панель средней работоспособности, площадью в 1 м 2 производит мощность около 120 Вт. Этого должно хватить только для зарядки планшета или телефона. Из этого вытекает следующий пункт.

Большая площадь, занимаемая системой

Чтобы обеспечить ваши минимальные потребности в электроэнергии, вам понадобится очень большая площадь. Если, конечно же, речь не идет о зарядке телефонов, планшетов или работы приборов с потреблением низкой мощности.

Зависимость работы от погодных условий

КПД солнечных батарей снижается в пасмурный, облачный день, зимой, при низких температурах и т.д. Ночью, в отсутствие Солнца, источника энергии, производство электричества прекращается. На работу панелей также влияет расположение вашего дома и окон.

Использование солнечной энергии

Помимо удовлетворения индивидуальных запросов потребителей электричества, солнечную энергию используют в различных сферах жизнедеятельности:

1. Авиация. Благодаря солнечной энергии, самолеты могут не расходовать топливо на протяжении некоторого времени.
2. Автомобилестроение. Панели могут использоваться для зарядки электромобилей.
3. Медицина. Благодаря разработкам южнокорейских ученых, мир увидел солнечную батарею, которую используют для приборов, поддерживающих функциональность организма человека, путем вживления под кожу.
4. Космонавтика. Гелиопанели устанавливаются, например, на спутниках и космических телескопах.

Это всего лишь несколько примеров. Кроме этого, солнечные панели широко используют для обеспечения электроэнергией зданий, а также целых населенных пунктов.

Надеемся, что вышеописанные преимущества и недостатки использования солнечных батарей помогут вам определиться с решением, стоит ли вам обратиться к альтернативным источникам энергии.

Положительное и отрицательное воздействие солнечных панелей на окружающую среду

Солнечные панели это исключительно «зеленый» источник энергии, как вы думаете? Есть ли хорошее и плохое воздействие солнечной энергии на окружающую среду? Действительно ли солнечные панели такие «зеленые»? Воздействие солнечных панелей на окружающую среду широко обсуждается и комментируется, но какие аргументы верны, и что лишь шум социальных сетей?

Основные аргументы против солнечных панелей заключаются в том, что они требуют больше энергии и оборудования для сжигания ископаемого топлива для добычи, производства и транспортировки, чем они экономят.

Другой аргумент заключается в том, что в производственном процессе используются токсичные химические вещества, которые приносят больше вреда, чем пользы. Да, солнечная энергия не идеальна.

С другой стороны, утверждается, что солнечные панели создают больше чистой энергии, чем требуется для их создания, и ведущие мировые компании действительно подают пример в отношении правильного использования химикатов. Здесь мы рассмотрим положительное и отрицательное воздействие солнечных панелей на окружающую среду, а также то, что ждет в будущем солнечную энергетику.

Отрицательное воздействие на окружающую среду солнечные панели

Начнем с очевидного: солнечная энергия не идеальна. Как и у всего в жизни, есть плюсы и минусы. Это особенно актуально для обсуждения таких тем, таких как производство энергии для 7 миллиардов человек устойчивым и экономичным способом.

Солнечная энергия не лишена недостатков. Давайте рассмотрим их здесь:

Потребность в энергии. Солнечная энергия требует для производства значительного количества энергии. Горнодобывающая промышленность, производство и транспортировка требуют значительного количества энергии. Кварц необходимо обрабатывать, очищать, а затем производить вместе с другими компонентами, которые могут поступать с разных предприятий (алюминий, медь и т. Д.), Для производства одного солнечного модуля. Для нагрева кварца на этапе обработки требуется очень большое количество тепла. Производство требует сочетания нескольких материалов с невероятной точностью для производства высокоэффективных панелей. Все это требует много энергии. При использовании традиционных видов топлива, таких как газ или уголь, они добываются, очищаются / обрабатываются и сжигаются в очень больших масштабах, как правило, в одном месте.

Химические вещества. Для производства кремния «солнечного» качества при обработке полупроводников обычно используются опасные химические вещества. В зависимости от производителя солнечных батарей и страны-производителя эти химические вещества могут утилизироваться, а могут и не утилизироваться. Как и в любой отрасли, есть компании, которые подают пример, а есть другие, которые стараются сэкономить деньги. Не каждая компания выбрасывает химические вещества, или не перерабатывает их побочные продукты должным образом, но есть и плохие примеры.

Утилизация – что происходит, когда солнечные панели ломаются или выводятся из эксплуатации? Хотя переработка солнечных панелей еще не стала серьезной проблемой, в ближайшие десятилетия она станет серьезной, поскольку солнечные панели необходимо заменить. В настоящее время солнечные модули можно утилизировать вместе с другими стандартными электронными отходами. Страны, не имеющие надежных средств удаления электронных отходов, подвергаются более высокому риску проблем, связанных с переработкой. ‍ Это основные экологические проблемы, связанные с фотоэлектрической отраслью. Опасения, безусловно, являются поводом для дальнейшего расследования, но, судя по цифрам, могут быть необоснованными.

Химические вещества, переработка и утилизация солнечных батарей

Переработка и утилизация солнечных панелей – одна из основных проблем. Есть явная проблема с решениями на перспективу. Это не так широко распространено, и не токсично, как может показаться. Кремниевые пластины стандартных солнечных модулей инкапсулируются, обычно этилвинилацетатом (EVA). Этот слой защищает кремниевую пластину. Если модули не утилизируются должным образом и подвергаются определенным условиям испытаний, возможно и некоторое выщелачивание. При нормальных условиях эксплуатации эти материалы не выделяются. Солнечная энергия очень эффективна для уменьшения выбросов углерода. Как и в случае со всеми технологиями, необходимо иметь дело с непреднамеренными отходами или побочными продуктами. Очевидный ответ – переработать солнечные панели и продавать их как базовые элементы. Теоретически это здорово, но этот путь не является экономичным и масштабируемым – пока.

Пути вперед

Крупномасштабные заводы по переработке солнечных панелей существуют, но они не так распространены, как хотелось бы. Это отставание всегда ожидаемо с новыми отраслями и технологиями.

Авторесайклеры не появились на следующий день после того, как Model T сошла с конвейера. Склады бутылок не ждали появления бутылок. Переработчики электронных отходов стали обычным явлением совсем недавно, спустя десятилетия после взрыва потребительской электроники. Второстепенным отраслям необходимо время, чтобы развиваться вокруг основных отраслей. Альтернативным или дополнительным решением, помогающим экономить на вторичной переработке, является взимание платы с производителей солнечных панелей, чтобы они упростили процесс вторичной переработки, или обязательное выполнение программы вторичной переработки со стороны производителей. Для реализации и совершенствования обоих вариантов потребуется время. Экономика переработки солнечных панелей будет улучшена по мере вывода из эксплуатации большего количества солнечных панелей. Более высокие объемы в любой отрасли позволяют возникнуть эффекту масштаба и творить чудеса. Простым решением проблемы химикатов, используемых в солнечных батареях, было бы найти альтернативные методы производства модулей. Это решение уже находится в стадии реализации, хотя сроки его коммерциализации трудно предсказать. Хотя химические вещества используются в производстве солнечных панелей, сравнение с традиционными видами топлива может дать полезный контекст. Производство любой формы энергии в массовом масштабе потребует определенного использования химических веществ в цепочке поставок. После добычи уголь необходимо подвергнуть химической очистке и переработке. При добыче фракционного природного газа используются химические смеси. И уголь, и газ сжигаются для производства электроэнергии. Сама ядерная энергия требует обогащения с чрезвычайно радиоактивными материалами. Нет идеального источника топлива, у каждого есть свои экологические преимущества и недостатки. Но одни могут быть лучше других.

Влияние производства солнечных панелей на окружающую среду

Как производятся солнечные панели и каково воздействие этого процесса на окружающую среду?

Солнечные панели состоят из нескольких компонентов: каркаса, ячеек, заднего листа, защитной пленки, проводников и крышки из закаленного стекла. Рама изготовлена из алюминия, элементы – из кремния, проводники – из меди, а задний лист и пленка – обычно из материала на основе полимера или пластика.

Для производства солнечных батарей сырье необходимо добывать, это в основном кварц, который перерабатывается в кремний. Алюминий, медь или серебро также являются ключевыми материалами, которые необходимо добывать или получать из переработанных источников, но в основном они добываются из-за возросшего расширения фотоэлектрической отрасли за последние 10 лет. После добычи сырья кварц перерабатывается в кремний «электронного» качества. Этот процесс включает нагревание кварца в высокотемпературной печи, и его реакцию с различными химическими веществами. Для формирования экструдированного алюминиевого каркаса и прокатки закаленного стекла требуются другие производственные процессы. Для производства чего-либо обычно требуется огромное количество энергии.

Для создания солнечных панелей требуется много энергии, и общие выбросы значительны, но после установки солнечных панелей они производят энергию без выбросов в течение более 25 лет.

Процесс производства не имеет значения без контекста энергии, вырабатываемой за весь срок службы, а также от того, как складываются другие источники топлива.

Ответы на два ключевых вопроса дадут этот контекст:

Компенсирует ли чистая энергия, вырабатываемая солнечными панелями, негативное воздействие в процессе добычи и производства?

Как интенсивность выбросов солнечной энергии сравнивается с традиционными источниками электрической энергии, такими как уголь?

Интенсивность выбросов углерода из солнечных панелей и других видов топлива

Интенсивность выбросов – это совокупные выбросы углерода за весь срок службы, рассчитанные на единицу энергии. Это выражается в граммах эквивалента диоксида углерода на киловатт-час (gC02e / кВтч) или эквивалентном значении в тоннах эквивалента углекислого газа на мегаватт-час (tC02 / МВтч). Чем ниже интенсивность выбросов, тем лучше воздействие на окружающую среду, поскольку меньше CO2 выделяется для выработки того же количества энергии. Выбросы углерода от солнечной энергии в течение всего срока службы чтобы нарисовать четкую картину углеродного следа солнечной энергии, за последние пару десятилетий были проведены сотни исследований по оценке жизненного цикла профиля выбросов солнечной энергии. Эти оценки включали этапы добычи, эксплуатации и переработки электроэнергии из различных источников топлива, таких как солнечные фотоэлектрические, солнечные тепловые, ветровые, ядерные, природный газ и уголь. В 2014 году Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США проверила 400 из этих исследований с учетом расхождений, выбросов и других переменных факторов, влияющих на данные. Затем данные были согласованы с использованием дискретного набора допущений для целей сравнения. Результаты показали, что солнечным панелям требуется от 60% до 70% энергии на начальном этапе, примерно 25% во время работы и примерно от 5% до 20% после их продуктивного срока службы. С другой стороны, уголь генерирует ~ 98% выбросов в процессе эксплуатации (добыча, транспортировка, сжигание и т. Д.) И только 1% во время процессов добычи и переработки.

Солнечные панели сегодня почти на 50% эффективнее, чем когда проводилось это исследование. Как и следовало ожидать, методы производства энергии на основе ископаемого топлива производят больше CO2, чем возобновляемые источники на 1 кВтч. Чего нельзя было с начала ожидать, так как сразу не видно насколько велик разрыв между видами топлива.

Интенсивность выбросов в течение жизненного цикла солнечных фотоэлектрических систем составляет примерно 40 гСО2 / кВтч. Интенсивность выбросов угля в течение жизненного цикла составляет приблизительно 1 000 г CO2 / кВтч. Уголь производит в 25 раз больше углекислого газа, чем солнечная энергия, что позволяет производить такое же количество энергии.

Изменение интенсивности поглощения излучения как одно из предостережений не в пользу возобновляемых источников энергии заключалось в том, что кремниевые солнечные панели в гармонизации NREL были эффективны от 13,2% до 14,0%. Это было точно до 2014 года, но сегодня поликристаллические солнечные модули регулярно достигают КПД> 19,5%. Солнечные панели сегодня почти на 50% эффективнее, чем когда проводилось это исследование. Создание большего количества кВтч чистой энергии за счет того же производственного цикла, что еще больше снизит интенсивность выбросов солнечных фотоэлектрических систем. Даже худшие оценки для солнечных фотоэлектрических систем все еще в 3 раза лучше лучших оценок для угля. Средние и согласованные значения дают более точную картину интенсивности выбросов от различных видов топлива (с учетом статистических выбросов). Гармонизированное значение также учитывает значение солнечного излучения 1700 кВтч / м2, что примерно равно уровням, наблюдаемым в Альберте и Саскачеване.

Интенсивность выбросов – невероятно важный показатель, который необходимо учитывать при оценке воздействия солнечной энергии на окружающую среду. Были проведены другие исследования и мета-анализ, которые подтверждают влияние солнечных панелей на окружающую среду по сравнению с другими источниками топлива, обнаруженными NREL.

Дополнительный анализ в Брукхейвенской национальной лаборатории, Исследовательском центре окружающей среды PV, и в исследованиях энергетической политики.

Срок окупаемости солнечных панелей, если для создания солнечных панелей требуется больше энергии, чем они будут производить в течение своего срока службы, или аналогичным образом, если исходные эффекты производства солнечных панелей хуже, чем эксплуатационные преимущества, эта технология оценки в корне ошибочна. Люди часто смотрят на окупаемость инвестиций (ROI) или период окупаемости, чтобы оценить стоимость финансовых вложений. Как скоро я верну свои деньги? 25-летний период окупаемости не радует большинство людей, но трехлетний период окупаемости привлечет внимание большинства инвесторов. Тот же вопрос можно сформулировать для выработки энергии и оценки воздействия солнечных панелей на окружающую среду – сколько времени пройдет, пока солнечная энергетическая система вырабатывает достаточно энергии, чтобы компенсировать затраты на производство энергии? Срок окупаемости солнечной энергии зависит от вашего местоположения, поскольку различные погодные условия влияют на выработку солнечной энергии. Солнечная панель, установленная в пустыне Сахара, будет производить больше энергии и окупаться намного быстрее, чем такая же панель, установленная над полярным кругом. И снова NREL предоставляет некоторые заслуживающие внимания данные. Эти данные включают изготовление модуля, рамы и баланс компонентов системы.

Срок окупаемости монокристаллических солнечных батарей составляет всего 2 года. Еще одно важное предостережение, которое следует отметить, заключается в том, что значение основано на предполагаемой эффективности солнечной панели в 14%. Сегодня солнечные панели на 40-50% эффективнее. Имея это в виду, разумно предположить, что солнечные панели имеют приблизительный период окупаемости энергии от 1 до 2 лет. Если бы вам предложили инвестицию со сроком окупаемости 2 года, вы бы ее приняли?

Электроэнергетика. Источники топлива. Воздействие на окружающую среду

Экологические преимущества солнечной энергии также различаются в зависимости от того, какая форма энергии вытесняется. Как следует из приведенного ранее рисунка, производство солнечной энергии вместо использования электроэнергии из угольных электростанций будет гораздо более выгодным, чем если бы вы устанавливали солнечные панели, чтобы компенсировать в первую очередь гидро- или ветровую электроэнергию из сети. Существует ряд других причин для установки солнечных панелей, даже если ваша сеть питается от возобновляемых источников (например, снижение нагрузки на сеть, и снижение стоимости владения электроэнергией в течение всего срока службы), но они не будут здесь подробно описаны.

Производство энергии в Канаде по провинциям и типу топлива. Составлено Kuby Renewable Energy.

Такие провинции, как Новая Шотландия, Саскачеван и Альберта, больше всего выиграют от солнечной энергии, поскольку энергия в этих провинциях поступает в основном из ископаемого топлива. Квебек меньше всего выиграет от использования солнечной энергии, поскольку их сеть уже почти полностью избавлена ​​от выбросов.

Заключение

Солнечная энергия не идеальна, но в целом она оказывает положительное чистое воздействие на окружающую среду и финансовые последствия. Да, для добычи / производства солнечных панелей требуется огромное количество энергии, и да, в процессе производства используются химические вещества. Эти два неопровержимых факта не означают, что солнечные панели имеют чистое негативное воздействие, как показывают данные. Энергия, необходимая для создания солнечной панели, окупится менее чем за 2 года. Даже с учетом стадии производства и обработки солнечной энергии, генерируемые выбросы в 3–25 раз меньше, чем при производстве того же количества энергии из ископаемого топлива. Снижение выбросов от использования солнечной энергии по сравнению с любым ископаемым топливом (особенно углем) делает эту технологию чрезвычайно выгодной.

Принципы работы солнечных батарей и как они устроены

Солнце – это неисчерпаемый источник энергии. Его можно использовать, сжигая деревья или нагревая воду в солнечных нагревателях, преобразуя полученное тепло в электроэнергию. Но есть устройства, превращающие солнечный свет в электричество напрямую. Это солнечные батареи.

Сфера применения

Есть три направления использования солнечной энергии:

• Экономия электроэнергии. Солнечные панели позволяют отказаться от централизованного электроснабжения или уменьшить его потребление, а также продавать излишки электричества электроснабжающей компании.
• Обеспечение электроэнергией объектов, подведение к которым линии электропередач невозможно или невыгодно экономически. Это может быть дача или охотничий домик, находящийся далеко от ЛЭП. Такие устройства используются также для питания светильников в отдаленных участках сада или автобусных остановках.
• Питание мобильных и переносных устройств. При походах, поездках на рыбалку и других подобных мероприятиях есть необходимость зарядки телефонов, фотоаппаратов и прочих гаджетов. Для этого также используются солнечные элементы.

Принцип работы

Элементы солнечных батарей представляют собой пластинки из кремния толщиной 0,3 мм. Со стороны, на которую попадает свет, в пластину добавлен бор. Это приводит к появлению избыточного количества свободных электронов. С обратной стороны добавлен фосфор, что приводит к образованию «дырок». Граница между ними называется p-n переход. При попадании света на пластину, он «выбивает» электроны на обратную сторону. Так появляется разность потенциалов. Вне зависимости от размера элемента, одна ячейка развивает напряжение 0,7 В. Для увеличения напряжения, их соединяют последовательно, а для повышения силы тока – параллельно.

В некоторых конструкциях, для увеличения мощности, над элементами устанавливались линзы или использовалась система зеркал. С уменьшением стоимости батарей такие устройства стали неактуальными.

Максимальный КПД панели, а, следовательно, и мощность, достигается при падении света под углом 90 градусов. В некоторых стационарных устройствах батарея поворачивается вслед за солнцем, но это сильно удорожает и утяжеляет конструкцию.

Принцип работы солнечной батареи к содержанию ↑

Преимущества и недостатки применения батарей

У солнечных панелей, как и у любых устройств, есть достоинства и недостатки, связанные с принципом действия и особенностями конструкции.

Достоинства солнечных батарей:

• Автономность. Позволяют обеспечить электроэнергией удаленные здания или светильники и работу мобильных устройств в походных условиях.
• Экономичность. Для выработки электроэнергии используется свет солнца, за который не нужно платить. Поэтому ФЭС (фотоэлектрические системы) окупаются за 10 лет, что меньше срока службы, составляющего более 30. Причем 25–30 лет – это гарантийный срок, а фотоэлектростанция будет работать и после него, принося прибыль владельцу. Конечно, необходимо учесть периодическую замену инверторов и аккумуляторных батарей, но все равно, использование такой электростанции помогает экономить средства.
• Экологичность. При работе устройства не загрязняют окружающую среду и не шумят, в отличие от электростанций, работающих на других видах топлива.

Кроме достоинств, у ФЭС есть недостатки:

• Высокая цена. Такая система стоит довольно дорого, особенно с учетом цены на аккумуляторные батареи и инверторы.
• Большой срок окупаемости. Средства, вложенные в фотоэлектростанцию, окупятся только через 10 лет. Это больше, чем основная масса других вложений.
• Фотоэлектрические системы занимают много места – всю крышу и стены здания. Это нарушает дизайн сооружения. Кроме того, аккумуляторные батареи большой емкости занимают целую комнату.
• Неравномерность выработки электроэнергии. Мощность устройства зависит от погоды и времени суток. Это компенсируется установкой аккумуляторных батарей или подключением системы к сети. Это позволяет в хорошую погоду днем продавать излишки электроэнергии электрокомпании, а ночью наоборот подключать оборудование к централизованному электроснабжению.

По ссылке вы можете узнать дополнительную информацию о том, что такое солнечные батареи.

Технические характеристики: на что обратить внимание

Главным параметром фотоэлементной системы является мощность. Напряжение такой установки достигает максимума при ярком свете и зависит от количества соединенных последовательно элементов, которое почти во всех конструкциях равно 36. Мощность зависит от площади одного элемента и количества цепочек по 36 штук, соединенных параллельно.

Кроме самих батарей, важно подобрать контроллер зарядки аккумуляторов и инвертор, преобразующий заряд аккумуляторных батарей в напряжение сети, а также сами панели.

В аккумуляторных батареях есть допустимый ток зарядки, который нельзя превышать, иначе система выйдет из строя. Зная напряжение аккумуляторов, легко определить мощность, необходимую для зарядки. Она должна быть больше мощности солнечной электростанции, иначе в солнечный день часть энергии окажется неиспользованной.

Контроллер обеспечивает заряд аккумуляторов и также должен иметь мощность, позволяющую полностью использовать энергию солнца.

К инвертору подключается оборудование, получающее энергию от ФЭС, поэтому его мощность должна соответствовать суммарной мощности электроприборов.

Кроме мощности и напряжения, важно выбрать фирму-производителя. Такое оборудование приобретается на срок несколько десятков лет, поэтому экономить на качестве нельзя. Производители, давно работающие на рынке, это понимают и дорожат своей репутацией. Можно почитать отзывы о них в интернете и выбрать с самыми положительными.

Виды солнечных батарей

Кроме размера и мощности, панели отличаются способом, которым изготавливаются из кремния отдельные элементы.

Внешний вид моно- и поликристаллических панелей

Элементы из монокристаллического кремния

Элементы солнечных батарей, изготовленные из монокристаллического кремния, имеют форму квадрата с закругленными углами. Это связано с технологией изготовления:

• из расплавленного кремния высокой степени очистки выращивается кристалл цилиндрической формы;
• после остывания у цилиндра обрезаются края, и основание из круга принимает форму квадрата с закругленными углами;
• получившийся брусок разрезается на пластины толщиной 0,3 мм;
• в пластины добавляются бор и фосфор и на них наклеиваются контактные полоски;
• из готовых элементов собирается ячейка батареи.

Готовая ячейка закрепляется на основании и закрывается стеклом, пропускающим ультрафиолетовые лучи или ламинируется.

Такие устройства отличаются самым высоким КПД и надежностью, поэтому устанавливаются в важных местах, например, в космических аппаратах.

Фотоэлементы из мульти-поликристаллического кремния

Кроме элементов из цельного кристалла, есть устройства, в которых фотоэлементы изготавливаются из поликристаллического кремния. Технология производства похожа. Основное отличие в том, что вместо кристалла круглой формы используется прямоугольный брусок, состоящий из большого количества мелких кристаллов различных форм и размеров. Поэтому элементы получаются прямоугольной или квадратной формы.

В качестве сырья берутся отходы производства микросхем и фотоэлементов. Это удешевляет готовое изделие, но ухудшает его качество. Такие устройства имеют меньший КПД – в среднем 18% против 20–22% у монокристаллических батарей. Однако вопрос выбора достаточно сложный. У разных производителей цена одного киловатт мощности монокристаллических и поликристаллических панелей может быть одинаковой или в пользу любого вида устройств.

Фотоэлементы из аморфного кремния

В последние годы распространение получили гибкие батареи, которые легче жестких. Технология их изготовления отличается от технологии изготовления моно- и поликристаллических панелей – на гибкую основу, обычно стальной лист, напыляются тонкие слои кремния с добавками до достижения необходимой толщины. После этого листы разрезаются, к ним приклеиваются токопроводящие полоски и вся конструкция ламинируется.

Солнечные батареи из аморфного кремния

КПД таких батарей примерно в 2 раза меньше, чем у жестких конструкций, однако, они легче и более прочные за счет того, что их можно сгибать.

Такие приборы дороже обычных, но им нет альтернативы в походных условиях, когда основное значение имеет легкость и надежность. Панели можно нашить на палатку или рюкзак, и заряжать аккумуляторы во время движения. В сложенном виде такие устройства похожи на книгу или свернутый в рулон чертеж, который можно поместить в футляр, напоминающий тубус.

Кроме зарядки мобильных устройств в походе, гибкие панели устанавливаются в электромобилях и электросамолетах. На крыше такие приборы повторяют изгибы черепицы, а если в качестве основы использовать стекло, то оно приобретает вид тонированного и его можно вставить в окно дома или теплицу.

Контроллер заряда для солнечных батарей

У прямого подключения панели к аккумулятору есть недостатки:

• Аккумулятор с номинальным напряжением 12 В будет заряжаться только при достижении напряжения на выходе фотоэлементов 14,4 В, что близко к максимальному. Это значит, что часть времени батареи заряжаться не будут.
• Максимальное напряжение фотоэлементов – 18 В. При таком напряжении ток заряда аккумуляторов будет слишком большим, и они быстро выйдут из строя.

Для того чтобы избежать этих проблем необходима установка контроллера заряда. Самыми распространенными конструкциями являются ШИМ и МРРТ.

ШИМ-контроллер заряда

Работа ШИМ-контроллера (широтно-импульсная модуляция – англ. pulse-width modulation – PWM) поддерживает постоянное напряжение на выходе. Это обеспечивает максимальную степень заряда аккумулятора и его защиту от перегрева при зарядке.

МРРТ-контроллер заряда

МРРТ-контроллер (Maximum power point tracker – слежение за точкой максимальной мощности) обеспечивает такое значение выходного напряжения и тока, которое позволяет максимально использовать потенциал солнечной батареи вне зависимости от яркости солнечного света. При пониженной яркости света он поднимает выходное напряжение до уровня, необходимого для зарядки аккумуляторов.

Такая система есть во всех современных инверторах и контроллерах зарядки

Виды аккумуляторов, используемых в батареях

Различные виды аккумуляторов, которые можно использовать для солнечной батареи

Аккумуляторы – важный элемент системы круглосуточного электроснабжения дома солнечной энергией.

В таких устройствах используются следующие виды аккумуляторов:

• стартерные;
• гелевые;
• AGM батареи;
• заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы.

Аккумуляторы других типов, например, щелочные или литиевые дорогие и используются очень редко.

Все эти виды устройств должны работать при температуре от +15 до +30 градусов.

Стартерные аккумуляторы

Самый распространенный тип аккумуляторов. Они дешевы, но обладают большим током саморазряда. Поэтому через несколько пасмурных дней батареи разрядятся даже при отсутствии нагрузки.

Недостатком таких устройств является то, что при работе происходит газовыделение. Поэтому их необходимо устанавливать в нежилом, хорошо проветриваемом помещении.

Кроме того, срок службы таких аккумуляторов до 1,5 лет, особенно при многократных циклах заряд-разряд. Поэтому в долгосрочной перспективе эти устройства окажутся самыми дорогими.

Гелевые аккумуляторы

Гелевые аккумуляторы –изделия, не требующие обслуживания. При работе отсутствует газовыделение, поэтому их можно устанавливать в жилой комнате и помещении без вентиляции.

Такие устройства обеспечивают большой выходной ток, имеют высокую емкость и низкий ток саморазряда.

Недостаток таких приборов в высокой цене и небольшом сроке службы.

AGM батареи

Эти батареи имеют небольшой срок службы, однако, у них есть много преимуществ:

• отсутствие газовыделения при работе;
• небольшими размерами;
• большим количеством (около 600) циклов заряда-разряда;
• быстрым (до 8 часов) зарядом;
• хорошей работой при неполном заряде.

Заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы

Такие устройства являются самыми надежными и имеют наибольший срок службы. Они обладают низким током саморазряда и высокой энергоемкостью.

Эти качества делают такие приборы наиболее популярными для установки в фотоэлементных системах.

Как определить размер и количество фотоэлементов?

Необходимые размер и количество фотоэлементов зависит от напряжения, силы тока и мощности, которые нужно получить от батареи. Напряжение одного элемента в солнечный день равно 0,5 В. При облачности оно намного ниже. Поэтому для зарядки аккумуляторов 12 В, соединяются последовательно 36 фотоэлементов. Соответственно, для аккумуляторов 24 В необходимо 72 элемента и так далее. Общее их количество зависит от площади одного элемента и необходимой мощности.

Один квадратный метр площади батареи, с учетом КПД, может выдать приблизительно 150 Вт. Точнее можно определить по метеорологическим справочникам, показывающим количество солнечной радиации в месте установки гелиооэлектростанции или в интернете. КПД устройства указан в паспорте.

При изготовлении фотоэлектростации своими руками необходимое количество элементов определяется по мощности одного элемента в данном климате с учетом КПД.

Расчет количества солнечных батарей исходит из необходимого электричества к содержанию ↑

Эффективность солнечных батарей зимой

Несмотря на то что зимой солнце поднимается ниже, поток света уменьшается незначительно, особенно после выпадения снега.

Основных причин, по которым солнечные элементы зимой менее эффективны три:

• Меняется угол падения лучей. Для того чтобы сохранять мощность, угол наклона батареи необходимо менять хотя бы раз в сезон, а лучше каждый месяц.
• Снег, особенно влажный, налипает на поверхность устройства. Его необходимо убирать сразу после выпадения.
• Зимой меньше продолжительность светлого времени суток, а также больше пасмурных дней. Изменить это невозможно, поэтому приходится рассчитывать мощность батареи по зимнему минимуму.

Правила установки

Максимальная мощность панели достигается в положении, при котором солнечные лучи падают перпендикулярно. Это необходимо учитывать при установке. Важно также учесть, в какое время суток минимальная облачность. Если угол наклона крыши и ее положение не соответствуют требованиям, то оно исправляется регулировкой основания.

Между батареей и крышей должен быть воздушный зазор 15–20 сантиметров. Это необходимо для протекания дождя и предохранения от перегрева.

Фотоэлементы плохо работают в тени, поэтому следует избегать располагать их в тени от зданий и деревьев.

Электростанции из солнечных фотоэлементов – это перспективный экологически чистый источник энергии. Их широкое применение позволит решить проблемы с нехваткой энергии, загрязнением окружающей среды и парниковым эффектом.

Достоинства и недостатки солнечных батарей

В настоящее время солнечные батарейки обладают плюсами и минусами, делающими их особенно популярными и востребованными. Очевидно, что данные источники энергии являются наиболее перспективными. В ближайшем будущем можно будет убедиться в этом. Так, что такого хорошего и интересного в солнечной энергии? Что позволяет смело говорить о преимуществах использования батарей, как в домашних условиях, так и в крупных компаниях? В статье будут освещены их явные достоинства, также, раскрыты недостатки, о которых предпочитают умалчивать производители. Что на самом деле входит в комплект солнечных батарей? Попробуем разобраться.

Комплект солнечных батарей: достоинства

Самым первым плюсом, говорящим в пользу данного энергетического источника, является неиссякаемость и доступность в любом месте. Известно, что солнце присутствует пойти в любой точке земли, в ближайший период не намерено исчезать. Даже если оно однажды пропадет, человечество будет волновать совершенно другой вопрос, об электроэнергии никто не станет даже думать.

Экологически безопасно

Следующее достоинство заключается в том, что комплект солнечных батарей абсолютно экологичен. Любой человек, неравнодушный к здоровью планеты, конечно же, посчитает своим долгом купить именно безвредные энергетические источники. Многие останавливаются на ветряках или тех самых солнечных панелях. Однако, здесь ситуация обстоит подобно как с электромобилями. Батареи являются экологичными, но есть один отрицательный нюанс. В процессе их производства, также, производства аккумуляторов, электростанций, разнообразных проводников, употребляются токсичные вредные вещества. Они и загрязняют среду. В сравнении с ветряками солнечные панели гораздо тише. Они не издают особых звуков, что предоставляет удобства в момент использования.

Преимущества солнечных панелей

Долгий срок службы

Батареи изнашиваются медленно. Поскольку не располагают подвижными частями. Конечно, если не используются специальные приводы, поворачивающие элементы в сторону энергетического источника. Однако, при наличии такой системы панели способны прослужить на протяжении двадцати пяти лет и более. Лишь по окончанию данного срока, при хорошем качестве батарей, начинает понижаться КПД. Тогда необходима замена на новый вариант. Кто может предположить, какие именно технологические новшества будут изобретены через четверть столетия? Может сложиться так, что следующих батарей хватит надолго, до конца жизни.

Автономность

Для пользователя установка подобного энергетического источника надежна. Нет опасений, что однажды поставщик отрежет энергоснабжение по техническим причинам. Это позволяет чувствовать себя уверенно, ведь система подачи электроэнергии никогда не иссякнет. Также, не возникнут затруднения с резким увеличением цен или транспортировкой энергии.

Когда окупится энергетическая электростанция, в доме будет, практически, бесплатная энергия. Естественно, за определенное время необходимо покрыть первоначальные вложения.

Возможность наращивания мощностей

Следующее преимущество данных электростанций — это наличие возможности наращивания можности. И здесь вопрос будет стоять только в доступности нужной площади. Модульность солнечных батарей дает возможность, если понадобиться, беспрепятственно повышать мощность системы. Для этого следует добавить новые панели и запитать в систему. Надо сказать, что такие преимущества перекрываются серьезной проблемой: необходимо искать и готовить большие площади. Большие площади означает квадратные километры солнечных элементов.

Солнечной панели не нужна подпитка. А это означает, что человек не зависит от изменения стоимости топлива, его поставок. Еще, плюсы батарей состоят в беспрерывной и стабильной подаче энергии.

Минусы солнечных батарей

Несмотря на множество плюсов батарей, имеют место и многочисленные недостатки. Их следует знать, прежде чем выбрать источник энергии. Очень важно понимать ситуацию, минусы до совершения покупки, чтобы впоследствии быть приготовленным к разным обстоятельствам. Есть причины, согласно которым солнечные панели применяют в качестве вспомогательного источника, не основного.

Главным недостатком считается необходимость первых инвестиций, достаточно больших. В условиях подключения к простой центральной электросети подобные расходы не нужны. Кроме того, период окупаемости вкладов в солнечные батареи размытый. Поскольку многое зависит от случайных факторов, не зависящих от потребителя.

Низкий КПД

Еще можно отметить незначительный уровень КПД. Квадратный метр батареи, имеющей среднюю производительность, выдает только 120 Вт. Этого не хватит даже для нормальной работы за лэптопом. В случае с солнечными панелями имеет место намного меньший КПД. Если сравнить с обычными энергетическими источниками — приблизительно 14-15%. Но такой изъян условный. Потому что новоизобретенные технологии не перестают увеличивать данный показатель, присутствует постоянный прогресс. Сегодня выжимается максимум энергоэффективности из площадей.

В государствах СНГ эти батареи являются достаточно дорогостоящими, в некоторых обстоятельствах считаются роскошью. Причина в том, что власти не особо поддерживают покупку алтернативных источников энергии. Они не пытаются мотивировать и поддержать стремление граждан к, так называемой, «зеленой» энергии. За рубежом совсем иная ситуация. Она в разы лучше. Например, Соединенные Штаты заинтересованы в переменах в виде перехода на экологически чистые энергетические источники.

Зависимость от погоды

Имеется еще заметный минус — плодотворность работы зависит от погоды и климатических условий. К примеру, эффективность солнечных батарей может существенно снизиться в период тумана или пасмурной погоды. При наличии низкой температуры, зимой, КПД падает. Этот показатель понижается, даже в условиях повышенной температуры, если используются некачественные панели. По этой причине следует поддерживать батареи главными энергетическими источниками или практиковать гибридные варианты. Что еще представляет важность? Солнечные панели способны функционировать по-разному в различных местах планеты. Другая местность – другое количество энергии потребляется, что позволяет сделать конкретные выводы. Плодотворность солнечной системы зависит от местоположения дома. А такжеот времени суток — ночью солнце отсутствует, значит энергия не вырабатывается.

Узнайте больше о самовозобновляемой и бесплатной энергии будущего. Солнечные батареи в действии.

Батареи нельзя использовать в качестве энергетического источника для техники, потребляющей большое количество мощности.

Система снабжения энергией от солнца предполагает вмешательства множества вспомогательных устройств. Это, например, аккумуляторы, накапливающие энергию, инверторы, еще требуется помещение, специально предназначенное для установки всей системы. Никель-кадмиевые приборы теряют мощность, если температура показывает ниже нуля.

Необходимость наличия больших площадей

Чтобы получить максимальную мощность от солнца, требуются платформы больших размеров. В случае с солнечной электростанцией промышленного масштаба понадобятся квадратные километры. Если комплект солнечных батарей просто используются в быту, подобные территории не нужны. Однако, следует учесть надобность расширятся в будущем. Надеемся, подробное описание достоинств и недостатков солнечных батарей, поможет выбрать подходящий вариант.

Все, что нужно знать о солнечных панелях

Вы хотите сэкономить на электричестве либо иметь дополнительный и независимый источник альтернативной энергии? А может, вы являетесь сторонником зеленой энергетики? Если так, то солнечные панели – тема для вас.

Энергия Солнца, или что такое солнечные панели

Солнце – главный источник энергии для всего живого и самой нашей планеты. Причем количества энергии, поступающей на Землю за каких-то 40 минут, хватает, чтобы удовлетворить энергетические потребности всех жителей земного шара в течение года. Учитывая возобновляемые и практически безграничные ресурсы небесного светила, перспективы его использования велики. Тем более что из всех альтернативных источников энергии именно солнечная признана самой безопасной и экологически чистой. Поэтому сегодня энергия солнца становится все более востребованной в самых разных сферах жизнедеятельности человека.

Воспользоваться этим даром природы людям помогают специальные устройства – солнечные панели (или солнечные батареи). Они преобразуют бесплатную энергию Солнца в электрическую и приобретают возрастающую популярность по всему миру.

Солнечные панели – из истории создания

Идея преобразования бесплатных солнечных лучей в энергию, которая будет работать на благо человека, будоражила людей давно. Так сложилось, что первым решением исторически стали солнечные термальные электростанции или солнечные коллекторы, которые принципиально отличатся от солнечных батарей (о принципе действия коллекторов коротко расскажем ниже). Солнечные же панели стали по факту второй и достаточно удачной попыткой человечества преобразовать энергию солнца в другой вид энергии, которая может использоваться для электроснабжения разного рода жилых, нежилых и хозяйственных обьектов.

И хотя солнечной энергетике не так много лет, ее развитию предшествовал целый ряд открытий и разработок. Но настоящий прорыв в направлении использования энергии света случился в середине 19 века, когда французский ученый Александр Эдмон Беккерель открыл явление фотоэлектрического эффекта. В 1873 году английский инженер-электрик Уиллоуби Смит обнаружил эффект фотопроводимости в селене, а несколькими годами спустя американец Чарльз Фриттс сконструировал первый фотоэлемент, состоящий из тонкого слоя селена, расположенного между пластинками золота и меди, и имевший эффективность всего 1%.

В 1987 году Генрих Герц открыл внешний фотоэффект, а в 1889 году русский Александр Столетов, в экспериментальной установке которого потек электрический ток, рожденный световыми лучами, описал закономерности фотоэффекта. Позднее к этому «приложил руку» и Альберт Эйнштейн. В начале 20 века он объяснил фотоэлектрический эффект на основе квантовой теории, за что впоследствии даже получил Нобелевскую премию. А первые прототипы солнечных панелей были созданы итальянским фотохимиком Джакомо Луиджи Чамичаном. В дальнейшем научные изыскания в области полупроводников привели к синтезированию кремниевых фотоэлементов с КПД 4%. Эта инновация была сделана в 1954 году в лаборатории компании «Bell Telephone». Позднее их эффективность увеличили до 15%, и солнечные батареи были впервые использованы в сельской местности и отдаленных городах как источник питания для системы телефонной связи, где они успешно использовались на протяжении многих лет. Еще через несколько лет в космос были запущены спутники с использованием солнечных батарей. Впоследствии были разработаны и созданы фотоэлементы на основе других полупроводников.

Чем отличаются солнечные панели от солнечных коллекторов

Как мы уже писали выше, солнечные коллекторы человечество придумало раньше, чем солнечные панели. Это совершенно разные устройства, хотя оба преобразуют энергию Солнца и в названии имеют слово «солнечный». На этом, пожалуй, их общность заканчивается. А теперь рассмотрим различия.

Если сказать коротко, то при использовании солнечных коллекторов потребитель «на выходе» получает тепловую энергию в виде нагретого теплоносителя, а солнечные панели предназначены только для генерации электрического тока.

Солнечные панели на крыше

Солнечные панели непосредственно преобразуют энергию солнца в электричество при помощи фотоэлементов (ФЭП – фотоэлектрических преобразователей или солнечных элементов).

Солнечный коллектор – это гелиоустановка, задача которой собирать и передавать тепловое излучение теплоносителю, который циркулирует через коллектор. В свою очередь, теплоноситель нагревает емкость, где находится вода для обеспечения горячего водоснабжения. То есть в отличие от солнечных панелей, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя, а затем накопленная энергия используется для определенных целей (нагрева воды, работы отопительной системы, промывочных работ). Попросту говоря, солнечные коллекторы производят горячую воду.

Вакуумные коллекторы — солнечная водонагревательная система на красной крыше дома.

Принцип работы солнечных панелей

Принцип работы солнечных батарей

Солнечные панели предназначены для преобразования энергии Солнца в электрическую. Их также называют солнечными батареями или солнечными модулями. Солнечная панель представляет собой устройство, состоящее из фотоэлементов, которые как раз и занимаются преобразованием одного вида энергии в другой. Фотоэлементы – это полупроводниковые пластины, напрямую преобразующие солнечное излучение в электрический ток. Между собой фотоэлементы соединяются в параллельные или последовательные электрические цепи, которые в совокупности работают как единый источник электрического тока.

Фотоэлементы изготавливают из разных элементов, но наиболее распространены солнечные элементы на основе кремния. Именно их выпускают в промышленных масштабах. Реже используют кадмий, теллур, селениды меди, аморфный кремний. Еще меньший процент – порядка 10%– составляют тонкопленочные солнечные элементы (например, CdTe).

Если говорить о кремниевых ФЭП, то каждый из элементов представляет собой тонкую пластину, состоящую из двух слоев кремния с собственными физическими свойствами, которые соединены между собой. Поскольку речь идет о полупроводниках, слои должны иметь разную проходимость для того, чтобы свободные электроны беспрепятственно переходили из одного слоя в другой. Ведь полупроводник – это материал, в атомах которого либо не хватает электронов (p-тип), либо есть лишние электроны (n-тип). Как правило, верхний слой – отрицательный (n-слой), он используется в качестве катода, а нижний слой – положительный (p-слой), он представляет собой анод. Излишек электронов из n-слоя может покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Вот как раз солнечные лучи и выступают катализатором такой реакции – «выбивают» электроны из атомов n-слоя, а затем они летят занимать пустые места в p-слой. То есть при попадании на фотоэлемент частиц света (фотонов) из-за неоднородности кристалла между слоями полупроводника образуется вентильная фотоэлектродвижущая сила.

В результате этого возникает разность потенциалов и ток электронов, которые движутся по замкнутому кругу, выходя из p-слоя, проходя через внешнюю нагрузку (в данном случае аккумулятор) и возвращаясь в n-слой. Таким образом, принцип работы солнечной панели напоминает своеобразное колесо, по которому вместо белки «бегают» электроны. При этом аккумулятор постепенно заряжается.

Верхний слой пластинки-фотоэлемента, который обращен к Солнцу, делается из кремния, но с добавлением фосфора. Он и становится источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

Виды пластин фотоэлементов

Виды пластин фотоэлементов

По технологии изготовления кремниевые пластины ФЭП бывают двух видов: монокристаллические и поликристаллические. Монокристаллические выполняются в виде квадрата со скошенными углами, поликристаллические – ровные квадраты. Но форма – не главное их различие.

Монокристаллические ФЭП делают из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. А поликристаллические получают достаточно простым и недорогим методом постепенного охлаждения расплавленного кремния.

Поэтому монокристаллические фотоэлементы имеют однородную структуру и более высокий коэффициент полезного действия (КПД). Однако себестоимость их производства выше, они дороже, чем поликристаллические пластины.

Минусом поликристаллических пластин является их невысокая производительность – не больше 15%. Это связано с их недостаточной чистотой и внутренней структурой. КПД монокристаллического фотоэлемента достигает уже 20-25%.

КПД солнечных панелей

Стандартные фотоэлементы из кремния – однопереходные, то есть переток электронов осуществляется только через один p-n-переход, зона которого ограничена по энергии фотонов. Это означает, что каждый отдельно взятый ФЭП может производить электроэнергию лишь от лучей определенного узкого спектра. Остальная энергия света пропадает впустую. Это и является основной причиной не очень высокой эффективности фотоэлементов.

КПД солнечных панелей сегодня пытаются повысить разными способами. К примеру, одно из решений – каскадные (многопереходные) кремниевые элементы. Каждый из таких ФЭП имеет несколько переходов и рассчитан на определенный спектр солнечных лучей. В сумме эффективность преобразования лучей света в электрический ток увеличивается, а с ним и производительность панели в целом. Однако цена таких элементов выше, чем однопереходных. Поэтому в каждом конкретном случае потребитель должен решать дилемму, что ему важнее – цена или энергоэффективность.

Обычно число фотоэлементов в одной солнечной панели кратно 12, а номинальная мощность одного такого устройства составляет от 30 до 350 Вт. Наиболее низким КПД, от 5% до 10%, обладают аморфные, органические и фотохимические ФЭП. Такая панель площадью 1м 2 будет вырабатывать от 25 до 50 Вт/ч электроэнергии. КПД самых распространенных сегодня кремниевых солнечных батарей составляет 17 – 25%. Это означает, что на 1м 2 площади панели генерируется до 125 Вт/ч. Вообще же, разработчики по всему миру сегодня работают над увеличением КПД до 30%, и такие решения уже есть. Например, солнечные панели на основе арсенида галлия. Именно они способны составить конкуренцию кремниевым панелям, а при площади 1м 2 такая панель даст электроэнергии в объеме 150 Вт/ч.

Что влияет на энергоэффективность солнечных панелей?

Энергоэффективность – важный показатель солнечных панелей. Для примера, один фотоэлемент (одна пластина) способен при солнечной погоде произвести энергию, которой будет достаточно лишь для зарядки карманного фонарика. Поэтому когда речь идет о более серьезных масштабах генерирования электроэнергии, ФЭПы обычно объединяют в цепи (параллельное соединение – для увеличения напряжения, последовательное – для увеличения силы тока). Их количество и структура во многом определяют энергоэффективность панелей. Кроме того, на энергоэффективность гелиопанелей влияет такие факторы:

• мощность светового потока;
• угол падения солнечных лучей;
• правильный подбор сопротивления нагрузки;
• температура окружающего воздуха и самой панели;
• отсутствие или наличие антибликового покрытия элементов.

Например, солнечный элемент и сама панель во время работы постепенно нагреваются. Та часть энергии, которая не пошла на производство электрического тока, трансформируется в тепло. Поэтому часто температура на поверхности панели может достигать значений более 50Сº. Однако чем выше температура поверхности, тем хуже работает фотоэлемент. Это значит, что одна и та же панель в разную погоду работает по-разному: менее эффективно в жару, и более эффективно в холод, а максимальную эффективность показывает в солнечный морозный день.

Преимущества и недостатки солнечных панелей

Как и любое устройство, солнечные панели имеют свои преимущества и недостатки.

Преимущества солнечных панелей

• Неиссякаемость, возобновляемость и всеобщая доступность источника энергии, что важно особенно в условиях истощения других видов природного топлива (нефть, газ, уголь).
• Экологичность. Солнечные электростанции действительно относятся к наиболее экологически чистым видам производства электроэнергии. При работе они не выделяют вредных примесей в воздух, работают бесшумно в сравнении с ветряками. Единственно к чему можно придраться, как и с электрокарами, так это к тому, что при производстве самих панелей, аккумуляторов, электростанций и различных проводников используются токсичные вещества, которые загрязняют окружающую среду.
• Экономичность – солнечные панели дают возможность экономить электроэнергию и, соответственно, деньги. Ведь для выработки электричества применяются солнечные лучи, которые абсолютно бесплатны.
• Износостойкость и большой срок службы. Гарантийный срок обычно составляет 25–30 лет, но фотоэлектростанция не прекратит свою деятельность и после этого периода. Износ происходит очень медленно, особенно если нет подвижных частей.
• Одномоментность переработки солнечной энергии в электрическую.
• Выработка энергии не только в солнечную, но и в пасмурную погоду.
• Возможность автономизации системы энергоснабжения объекта и независимость от централизованного электроснабжения.
• Простота, стабильность, надежность конструкции и ее монтажа.
• Можно нарастить конструкцию, если есть необходимость увеличения мощности системы это легко сделать благодаря модульности солнечных панелей.

Недостатки солнечных панелей

• Высокая стоимость и длительный период окупаемости (до 10 лет).
• Невысокий КПД.
• Низкая энергоэффективность в пасмурную погоду и ночью.
• Неравномерная выработка электричества, которая зависит от освещенности и погоды. Это можно компенсировать, если подключить систему к сети – тогда днем можно будет продавать излишнее электричество электрокомпании, а ночью использовать централизованное электроснабжение.
• Большие размеры. Панели занимают много места – для их установки требуется наличие значительных площадей. Они могут занимать, например, всю крышу и стены строения.
• Сложность использования в регионах с большим количеством осадков, особенно снега.
• Потребность в установке дополнительных устройств для получения переменного тока (солнечные панели производят только постоянный ток) и для накопления энергии (потому что электричество вырабатывается только на протяжении светового дня).

Где применяются солнечные панели

По мере развития технологий, совершенствуется и солнечная энергетика. Гелиопанели становятся дешевле и эффективней, разрабатываются новые инженерные решения, расширяется сфера их сфера применения. Из солнечных панелей создают целые солнечные электростанции (СЭС), которые могут производить электроэнергию в больших масштабах. Поэтому сегодня солнечные панели применяют не только в быту, но также в промышленности, сельском хозяйстве, космической отрасли и дорожном строительстве. Солнечная энергия используется для уличного освещения, электрокаров, электромоторных судов и других видов транспорта, в частных домовладениях, смартфонах и разных гаджетах, в детских игрушках и даже в устройствах для барбекю. Но судя по всему, это далеко не предел, и сферы применения солнечных панелей будут развиваться еще активнее и все больше входить в нашу жизнь.