Будущее окружающей среды в наших руках!
Берегите Землю!
Берегите
Жаворонка в голубом зените,
Бабочку на листьях повилики,
На тропинке солнечные блики...
Берегите молодые всходы
на зелёном празднике природы,
Небо в звёздах, океан и сушу
И в бессмертье верящую душу, -
Всех судеб связующие нити.
Берегите Землю!
Берегите...

М.Дудин

От солнца в дом: принцип работы фотоэлектрической системы

04/11/2021От солнца в дом: принцип работы фотоэлектрической системы

На повестке дня все чаще звучит тема зелёной энергетики, в Беларуси появляется все больше солнечных электростанций, а солнечные панели уже далеко не редкость на крышах частных домов. Разбираемся, как работают фотоэлектрические системы и сколько энергии можно получить на примере детского сада № 3 г. Ошмяны.

О том, что солнечная энергетика является перспективной отраслью, говорят цифры: за последние 10 лет мировые мощности фотоэлектрических систем увеличились более чем в 17 раз. Преимущества очевидны: экологически чистая энергия с практически нулевыми выбросами парниковых газов, безопасность для человека и окружающей среды, автономность работы, независимость от поставщиков энергоресурсов и цен на топливо.

Солнце – это альтернативный, неисчерпаемый источник энергии. Каждый час наша планета получает больше солнечного света, чем человечество использует за год. Но как её преобразовать? Для этого и нужны фотоэлектрические системы.

Устройство и работа солнечных панелей

Фотоэлектрические системы часто называют просто солнечными батареями или панелями. Бесспорно, солнечная панель – основной элемент системы, но не единственный.  Кроме панелей в фотоэлектрических системах задействованы инвертор, контроллер, а при необходимости сохранить энергию – аккумуляторы. 

Солнечная панель состоит из множества фотоэлементов, которые изготовлены из полупроводникового материала. Обычно таким материалом выступает кремний. Сегодня именно кремниевые пластины производятся в промышленных масштабах и встречаются чаще всего. При изготовлении панелей могут использоваться монокристаллические и поликристаллические кристаллы кремния. Панели из монокристаллического кремния отличаются более высокой производительностью и долговечностью. Поликристаллические панели стоят значительно дешевле, но и менее эффективны.

Итак, солнечные лучи падают на пластины, они нагреваются и поглощают часть солнечной энергии. Полученная энергия освобождает электроны внутри полупроводника, а их поток образует электрический ток.

Для выработки тока в фотоэлементах нужно обеспечить разность потенциалов (+/-), как в обычной батарейке. Одного кремния здесь недостаточно. Поэтому при производстве кремниевых пластин, туда добавляется еще два химических элемента: бор и фосфор.  За счет них образуется два полупроводника: кремний с фосфором становится полупроводником n-типа (отрицательный заряд), а кремний с бором становится полупроводником p-типа (положительный заряд). При попадании солнечных лучей на фотоэлемент, электроны n-типа приходят в движение и стремятся заполнить освободившиеся отверстия в полупроводнике p-типа. Этот переход достаточно сложно сделать: на стыке веществ возникает барьер, область заряжается, а на границе p-n перехода образуется электрическое поле.

В большинстве кремниевых пластин движение электронов осуществляется только через один p-n переход, что позволяет получить лишь ограниченное количество энергии. КПД таких панелей варьируется от 15 до 22% в зависимости от способа изготовления пластин. Больше переходов – больше эффективность и стоимость. Оптимизма добавляет постоянное совершенствование технологий, которое позволяет удешевить фотоэлектрические системы и увеличить их производительность. Сегодня КПД некоторых систем достигает 40%. 

Не только от погоды от чего зависит эффективность фотоэлектрической системы

Уровень солнечной радиации и количество солнечных дней в году играют определяющую роль в эффективности работы фотоэлектрической системы. В пасмурную погоду солнечные панели также вырабатывают энергию, но в 5 раз меньше, чем при солнечном свете. В дождливые и снежные дни количество полученной энергии еще больше снижается. Увеличить эффективность помогает регулярная чистка панелей от загрязнений и осадков.

А вот от температуры производительность фотоэлектрической системы зависит намного меньше. Более того, если на улице слишком жарко, панель может перегреться и эффективность снизится. Часто в яркий солнечный зимний день, энергии можно получить больше, чем в яркий летний.

Правильно выставленный угол наклона также увеличивает производительность. Идеальный вариант – это падение солнечных лучей на панели под углом 90 градусов. Угол падения солнечных лучей меняется в зависимости от поры года. Некоторые панели оснащены автоматической регулировкой угла наклона, но это довольно дорогая опция. Менять угол наклона можно и вручную, минимум два раза в год. Если ручная регулировка не подходит, то выбирается средний оптимальный угол наклона. Чтобы максимально использовать энергию солнца на протяжении всего года, для широт, в которых расположена территория Беларуси, эксперты рекомендуют устанавливать панели под углом примерно 53-56 градусов относительно горизонта.

Размещение панелей на крышах тоже не случайно. Если на панель падает тень, то какой бы яркий солнечный день не был, количество полученной энергии заметно уменьшится.   

Настоящий Солнцеград

В детском саду № 3 г. Ошмяны с говорящим названием «Солнцеград» установлена фотоэлектрическая система, состоящая из 34-х солнечных панелей, сетевого инвертора, контроллера, прибора учета выработанной электроэнергии и комплекта силовой и защитной автоматики. Мощность системы составляет 10 кВт. Детскому саду энергия нужна в дневное время, поэтому в системе отсутствуют аккумуляторные батареи. Вся полученная энергия используется напрямую без попадания в электрическую сеть.

В Беларуси ноябрь – январь самые неблагоприятные месяцы для работы фотоэлектрики: короткий световой день, высокая облачность, малое количество солнечных дней, осадки в виде снега. Несомненно, что основная выработка электроэнергии от фотоэлектрической системы приходится на март-октябрь.

– За первые 5 месяцев (ноябрь-март) работы фотоэлектрическая система выработала 1 356 кВт·ч электроэнергии, что сопоставимо с годовым потреблением электроэнергии одной семьей, проживающей в квартире. Из этого количества энергии за февраль и март получена большая её часть: 1 155 кВт·ч или 85%. Фотоэлектрическая система в онлайн режиме подключена к сайту производителя инвертора, что позволяет видеть как электрическую нагрузку потребителей ясли-сада, так и электрическую мощность самой станции в режиме реального времени. Кроме того, можно отслеживать суточный график потребляемой и вырабатываемой электрической мощности с интервалом в 5 минут, вести учёт суточной, месячной и годовой электрической нагрузки и выработки, что очень удобно для анализа работы фотоэлектрической системы и повышения эффективности её использования. Предварительные оценки позволяют рассчитывать на экономический эффект от панелей не менее 2 500 руб. за год, – комментирует эксперт по энергоэффективности Владимир Войтехович.

На фото: График потребления и выработки электрической мощности за солнечный день 23 марта 2021 года

Первый опыт эксплуатации системы, особенно в зимний период, свидетельствует о том, что важно осуществлять регулярную очистку солнечных панелей от снега.

Несомненно, что потенциал использования солнечной энергии в Беларуси будет постоянно расти. А с улучшением и удешевлением технологий, количество и производительность фотоэлектрических систем будет только увеличиваться. Сегодня солнечные панели вырабатывают энергию даже от лунного света. Приобретая такую систему, вы не только получаете независимый источник электричества на 25-30 лет, но и делаете вклад в общее чистое будущее.

Материал подготовлен в рамках реализации проекта «Внедрение мероприятий по энергоэффективности с целью устойчивого энергетического развития Ошмянского района Беларуси», финансируемого Европейским Союзом и софинансируемого Ошмянским районным исполнительным комитетом в рамках программы "Соглашение Мэров - демонстрационные проекты".

ТЕКСТ Татьяна Остроух