Солнечные батареи для умного дома: основные виды и анализ их эффективности

Солнечная энергетика на сегодня является одним из наиболее экологически чистых способов получения электричества и тепла. Интерес к этой сфере растёт с каждым годом, в том числе и с точки зрения автономного энергообеспечения «умного дома». Разберём подробнее, выгодны ли солнечные батареи в частном доме, какие их виды имеются в продаже, каковы нюансы их использования для получения электричества и отопления помещений.

солнечные панели для умного дома

Принцип работы солнечных батарей

Принцип работы солнечной энергоустановки основывается на полупроводниковом эффекте. Впервые данный эффект был открыт французским физиком Беккерелем ещё в первой половине 19 века. Реально действующий полупроводник был создан в 1873г., однако, до середины ХХ века не удавалось создать эффективно работающей солнечной батареи, способной вырабатывать значительное количество электричества.

Основу конструкции составляет кремний, как один из наиболее эффективных полупроводников. Из него изготавливаются фотоэлементы, составляющие верхний слой пластин батареи. Под воздействием солнечных лучей в блоке преобразователя начинается высвобождение из атомов кремния отрицательно заряженных частиц. Высвободившиеся электроны захватываются атомами нижерасположенной пластины. В соответствии с физическими законами они стремятся вернуться в своё первоначальное положение.



Возвращаясь в верхнюю кремниевую пластину, они перемещаются по тонким проводам, при этом частью своей энергии заряжая аккумулятор, подключённый к фотоэлементам. Работа солнечных батарей, созданных на основании монокристаллической методики нанесения кремниевого слоя, намного эффективней. Это связано с тем, что в данном случае образуемая кремнием кристаллическая решётка имеет меньшее число граней, а это даёт электронам возможность прямолинейного передвижения.c

Классификация солнечных батарей

На сегодня существует большое количество преобразователей солнечной энергии, которые условно классифицируются по нескольким признакам. По количеству вырабатываемой электроэнергии солнечные панели бывают:

  • Маломощные, предназначаемые для электропитания и подзарядки различных гаджетов – ноутбуков, смартфонов, переносных приборов, небольших телевизоров и т.д.
  • Универсальные. Способны обеспечить энергией не только маломощные устройства, но и некоторые бытовые приборы, например, лампы освещения.
  • Собственно солнечные батареи, состоящие из целого ряда фотоэлементов, закреплённых на подложке. Такие панели могут применяться для энергообеспечения коттеджа, подсобных надворных построек, для дачи.

виды солнечных панелей

По своей конструкции электрогенераторы, работающие на солнечной энергии, подразделяют на:

  • Фотоэлектрические. Представляют собой полупроводниковую конструкцию, в которой происходит преобразование тепловой энергии солнца прямиком в электроэнергию. Несколько фотоэлементов объединяются в единую батарею, действующую по принципу полупроводников, описанному выше.
  • Гелиоэлектростанции. Генерирующие устройства данного типа концентрируют энергию солнца, направляя её на движение турбин или прочих устройств, вырабатывающих ток. Принцип концентрации состоит в использовании линз, либо зеркальных поверхностей вогнутой формы. Сфокусированный солнечный луч направляется на некую ёмкость с теплоносителем, который закипает и превращается в перегретый пар. Далее пар пропускается через турбины, вращая их, и вырабатывая электрический ток. В данном случае работа солнечных батарей менее эффективна, так как значительная часть энергии тратится на нагрев и испарение теплоносителя.
  • Тепловые коллекторы – солнечные батареи для отопления частного дома. Относятся к классу низкотемпературных устройств. Принцип действия их прост: аккумулируемая энергия солнечного излучения преобразуется в тепловую, идущую на нагрев воды в системе горячего водоснабжения и отопительном контуре дома. Эффективность работы солнечных батарей подобного типа напрямую зависит от их площади: чем она больше, тем до высших показателей они разогревают воду.



;

Солнечная энергия для отопления

Одна из областей применения гелиоустановок в системе «умный дом», это отопление помещений в холодное время года, а также нагрев воды, используемой для бытовых нужд в системах горячего водоснабжения. Современные модели солнечных панелей и коллекторов могут функционировать и в зимнее время, когда температура воздуха опускается до -30оС. Таким образом, они могут составить достойную конкуренцию традиционным способам обогрева частного дома.

Принцип работы панелей с фотоэлементами

Отопление дома от солнечных батарей может производиться двумя способами:

  1. Методом непосредственного нагрева теплоносителя (воды, антифриза) в отопительной системе. Производится это с помощью концентрации солнечных лучей на баках-накопителях, или трубчатых контурах, по которым перемещается вода.
  2. С помощью солнечных панелей, вырабатывающих электроэнергию. В данном случае работа солнечных батарей по обогреву жилья аналогична действию электроэнергии из общей энергосети.

Действуют панели с фотоэлементами при нагреве воды в отопительном контуре по следующему принципу — комплекты солнечных батарей, превращая энергию лучей солнца в электроэнергию, заряжают аккумуляторные батареи. От них ток поступает в инверторы, преобразующие его по напряжению, частоте, силе. Оттуда электричество подаётся непосредственно на нагревательные приборы, например, на электрокотел.

принцип работы солнечных батарей

Эффективность использования фотоэлементов

Преимущество солнечных панелей перед гелиоколлекторами состоит в возможности аккумуляции электричества. А это, в свою очередь, позволяет интегрировать водонагревательную систему, основанную на солнечных батареях, в комплекс «умный дом». Для этого можно использовать датчики и реле, самостоятельно запускающие электроподогрев отопительной системы при снижении температуры ниже установленных показателей.

Также возможно подключение внешнего управления процессом поддержания тепла в доме при помощи интернет-соединения и любого гаджета, имеющего выход во всемирную паутину – смартфона, ноутбука, ПК. Эффективность использования фотоэлементов, по сравнению с гелиоколлекторами состоит в возможности автономной или управляемой регулировки их работы. Наличие заряжаемой аккумуляторной батареи позволяет меньше зависеть от капризов погоды, всегда поддерживать комфортную температуру во внутренних помещениях.

Виды солнечных батарей

Сегодня существует несколько видов солнечных батарей, различающихся по своей конструкции и эксплуатационно-техническим показателям.

Монокристаллические

При изготовлении монокристаллических панелей используют кремний высокой степени очистки. Получить подобный материал возможно только промышленным способом с применением специальных технологий. Такие гелиосистемы довольно дорогостоящи, но отличаются большим КПД, который составляет в среднем 15-20%, а в отдельных случаях достигая даже 20%.



Поликристаллические

В данных конструкциях кремний наносится на основание поликристаллическим способом, что снижает эффективность работы солнечных батарей. Дело в том, что в таких кристаллических решётках электроны не могут передвигаться прямолинейно, и отдают в единицу времени меньше заряда. Метод изготовления поликристаллических панелей состоит в нанесении расплавленного кремния на основание, с последующим медленным охлаждением.

Поверхность их отличается ярко-синим цветом. Такие модификации гелиосистем имеют меньшую себестоимость, но и эффективность их также невысока. КПД поликристаллических панелей не превышает 10-12%. Следовательно, для получения 1 Вт электроэнергии потребуется большая площадь фотоэлементов, чем при использовании монокристаллических батарей. А это нивелирует их основное преимущество – низкую стоимость.

Тонколистовые

Тонколистовые солнечные панели изготавливают из аморфного кремния, который наносится на тонкую гибкую основу. Сверху кремниевый слой покрывается защитной плёнкой, предохраняющей его от механических повреждений. Подобные конструкции имеют самую низкую цену за квадратный метр, но, вместе с тем, и самую низкую эффективность. КПД их составляет всего лишь 5-7%. Также невысок и срок их эксплуатации: со временем их технические качества ещё больше снижаются.

Установка солнечных батарей на крыше

Эффективность работы гелиопанелей во многом зависит от правильного их размещения. При установке солнечной батареи на крышу дома, следует соблюдать ряд правил. Во-первых, устанавливать их нужно с наиболее освещённой стороны, то есть с южной и восточной. Другой немаловажный фактор, это угол наклона панели по отношению к горизонту. Поскольку солнце движется под некоторым углом к земле, то и его лучи падают также под наклоном.

установка солнечных панелей

Как использовать солнечные батареи, чтобы максимально полно улавливать солнечное излучение? Специалисты рекомендуют выбирать угол наклона плоскости батареи в соответствии с широтным расположением населённого пункта. Например, Москва находится на широте 55 градусов, значит, и солнечную батарею на московских крышах лучше всего устанавливать под углом 55опо отношению к плоскости земли.

Плюсы и минусы альтернативной отопительной системы

Дом с солнечными батареями, несомненно, является высокотехнологичным продуктом научно-технического прогресса. Однако, системы обогрева, основанные на использовании солнечной энергии, имеют как свои неоспоримые достоинства, так и недостатки. К плюсам следует отнести:

  • Экологичность технологии. При выработке «солнечного электричества» не выделяется никаких вредных для человека и природы веществ. Чего нельзя сказать при использовании для нагрева отопительного котла угля или дров.
  • Полная автономность. Нагревательные гелиоустановки позволяют абсолютно не зависеть от коммунальных служб, и от их сезонного графика отключения-подключения отопления.
  • Отсутствие бюрократических проблем. Для установки и подключения систем солнечного энергоснабжения не потребуется получение разрешительных документов от всевозможных инстанций.

солнечные панели для дома

Но имеется в этой достаточно благостной картине и своя ложка дёгтя. Это вопрос окупятся ли солнечные батареи, установленные в частном доме. Стоимость панелей высока, а для нормального автономного функционирования жилого дома требуется значительная площадь генерирующих поверхностей. Как показывают расчёты, полностью окупятся они не ранее трёх лет с начала использования. И то, это при условии активной эксплуатации и размещения в регионе с высоким уровнем солнечного излучения. В районах, где количество ясных дней невелико, сроки окупаемости будут ещё длиннее.

И все же солнечная энергетика на данный момент является одним из самых перспективных сфер развития научно-технического прогресса. Благодаря новым разработкам и научным открытиям, эффективность гелиоэнергетики будет расти, а себестоимость наоборот — снижаться. Всё это делает использование солнечных батарей в системе «умный дом» достаточно правильным решением.

Ссылка на основную публикацию