Населення більшості країн світу почало проявляти активний інтерес до альтернативних джерел отримання електроенергії, в тому числі, від сонця протягом світлового дня. Воно може дати практичні нескінченний запас електрики, але для його збору необхідний комплекс спеціального обладнання.
Принцип роботи сонячної електростанції
Сонячна електростанція – це інженерна споруда, яка служить для перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію. Методи залежать від характеристик і особливостей станції:
- конструктивних;
- апаратних.
В основу принципу роботи споруд закладений збір концентрованої енергії променів, що відбиваються від дзеркал до приймачів, накопичується таку енергію і перетворюючу її в теплову. Отриманий запас використовується для отримання електричної енергії, шляхом прогонки її через певний обладнання – парову турбіну, тепловий двигун, що змушує працювати генератор.
Види
На даний момент часу в світі існують вісім видів електростанцій, що працюють на сонячній енергії (СЕС):
- баштова електростанція на батареях;
- фотоелектрична станція;
- тарілчаста;
- на параболічних концентраторах;
- аэростатная;
- сонячно-вакуумна;
- на двигуні Стірлінга;
- комбіновані типи.
Баштова електростанція на сонячних батареях
Принцип роботи електростанцій даного типу заснований на отриманні пара допомогою теплової енергії від сонця. Центральним елементом споруди є вежа висотою від 18 до 24 метрів. Цей параметр визначать потужність станції і ККД (коефіцієнт корисної дії) системи. На верхньому майданчику башти розміщується резервуар з водою – ємність, що володіє великими габаритами і пофарбована в чорний колір, для збільшення рівня поглинутого випромінювання.
У технологічному приміщенні вежі група насосів перекачує пар з нагрівається ємності в турбогенератор. По периметру вежі розташовуються великі поля з геліостатами. Геліостат – це дзеркало, яке закріплюється на регульовану опору, конденсує воду, підключається до системи позиціонування, що управляє положенням елементів. Головною вимогою для нормального функціонування станції є повне попадання всіх променів, що відбиваються від дзеркал. Цим і займаються системи позиціонування і відстеження місця розташування сонця.
При ясній погоді відбувається значне нагрівання води в резервуарі, а температура рідини досягає близько 700°C. Такий рівень температури приблизно порівняти зі значеннями, достигаемыми на теплових електростанціях, тому для виробництва електроенергії з пари використовуються турбіни стандартних розмірів. Максимальний ККД станцій баштового типу становить близько 20 відсотків, досягти його можна тільки при пікових потужностей.
Фотоелектрична станція
Сонячну електростанцію фотоелектричного типу (СЭСФ) оснащують спеціальними елементами – сонячними батареями або фотоелементами, відповідають за перетворення енергії сонця в електричну. В основному вони виготовляються з кремнію з металізованою поверхнею. Слід пам’ятати, що функціонує система, коли світить сонце, а це неможливо в темний час доби – вночі або ввечері, тому її доповнюють накопичувальними акумуляторами для зберігання і подальшого використання енергії.
Не менш важливим елементом у миниэлектростанциях побутового призначення є інвертор, який забезпечує перетворення постійного струму в змінний, який використовується для живлення всіх електричних приладів у будинку. Крім описаних вище елементів конструкції СЭСФ, до складу системи входять:
- комплекти запобіжників які призначені для монтажу на всіх місцях з’єднання компонентів і її захисту від можливого короткого замикання;
- нвбор коннекторів стандарту МС4, призначених для підключення кабелів;
- керуючого технікою автономного контролера.
Сонячна станція для будинку – це безперечна перевага, але перед її установкою і підключенням потрібно підібрати місце для розміщення системи. Фотоелементи розміщуються практично в будь-якій точці з гарною освітленістю:
- на даху заміського котеджу;
- на балконі багатоквартирного будинку;
- на прилеглій до будинку території;
- на фасаді (заборонено для багатоквартирних будинків).
Єдине, що потрібно створити умови, щоб отримати максимальну вироблення електроенергії. Одним з таких є орієнтація і кут нахилу відносно горизонту. Так, светопоглощающее полотно повинно бути повернене на південь, причому бажано домогтися такого положення, щоб промені сонця потрапляли на нього під кутами 90°. Це досягається підбором оптимального кута нахилу, що залежить від пори року, кліматичних умов регіону, наприклад, для Москви і МО (Московської області) цей показник буде в межах від 15 до 20° – влітку, від 60 до 70° – взимку.
При розміщенні панелей на преддомовой території бажано встановлювати їх на висоті від 0,5 метрів над рівнем землі, щоб запобігти їх контакт зі снігом при випаданні великої кількості опадів. Треба вибирати місця з відсутністю затемнених ділянок, так як тінь вплине на загальну ефективність. При такій установці можна отримати необхідну відстань для циркуляції повітря і кондиціонування системи.
Кріплення панелей на опорні корозийностойкие конструкції можна виробляти притискними фіксаторами або болтами. Їх вкручують їх в спеціальні отвори, які розташовуються в нижній частині рамки. Вибираючи той або інший спосіб монтажу, заборонено вносити зміни в конструкцію панелей і просвердлювати додаткові отвори – це може негативно вплинути на ефективність роботи і вихідні параметри системи.
До складу батарей входять декілька окремих панелей для збільшення вихідних параметрів системи: потужності, напруги і струму. На практиці їх поєднують, реалізуючи одну з трьох монтажних схем:
- паралельну (1);
- послідовну (2);
- змішану (3).
Схема 1: паралельне з’єднання. При паралельному з’єднанні панелей дві однойменні клеми ( « + » « + » , а «-» з «-») підключають один до одного так, що провідники – мідні кабелі, розташовані між елементами – володіють двома загальними вузлами: сходження і розбіжності. Вихідний струм збільшується прямо пропорційно кількості конструктивних елементів, які підключаються до системи.
Схема 2: послідовне з’єднання. При послідовному з’єднанні панелей підключають протилежні полюси: «+» першої панелі до «-» другий. Незадіяні полюса панелей з’єднують з контролером, який розташовується в наступному вузлі схеми. З’єднання, утворене за такою схемою, створює умови, при яких електричний струм буде протікати до споживача тільки по єдиному шляху.
Схема 3: змішане з’єднання. При послідовно-паралельному, або змішаному сполученні панелі, об’єднані в одну групу, підключаються один до одного за паралельною схемою, а з’єднання окремих груп в єдину електричну ланцюг реалізується за послідовного принципу. Використання такої схеми не тільки збільшує вихідну напругу з вихідним струмом, але і виробляє резервацію – при виході однієї з панелей інші функціональні ланцюга будуть продовжувати роботу. Це підвищує надійність і простоту обслуговування системи.
Монтаж і підключення елементів всередині системи – електростанції – виконується за трьома схемами:
- стандартної;
- з різноспрямованими елементами;
- з суміщенням зі стаціонарною мережею
Варіант 1: стандартний монтаж. При стандартному монтажі група фотоелектричних модулів, що підключаються за послідовною, а акумулятори за послідовно-паралельною схемою. Об’єднані панелі за допомогою двох лінійних кабелю підключаються до системи, керуючої зарядом/розрядом АКБ (акумуляторних батарей). Система управління підключається до інвертора, а він з’єднується з побутовими електричними приладами.
Варіант 2: монтаж з різноспрямованими елементами. Монтаж системи з різноспрямованими панелями здійснюють за послідовною схемою, при цьому елементи розташовують в одній площині і під одним кутом – це робиться для мінімізації втрат електроенергії. Ще більше знизити втрати можна при використанні окремого контролера для кожної панелі і монтажі відтинають діодів всередині пластин.
Додатково проблемою даної схеми є втрата напруги у вузлах з’єднання і самих низьковольтних лініях – кабелях. Наприклад в метровому проводі з перетином 4 мм кв. в момент проходження сигналу з напругою 12 В і струмом 80 А показники знизяться на 3,19%, що призведе до падіння потужності на 30,6 Вт. Цю проблему можна вирішити, використовуючи скручування жил кабелю
Варіант 3: монтаж з суміщенням з мережею. При монтажі за цією схемою створюються дві кабельні траси. Одна йде від лічильника електроенергії до батарейного інвертора і підключається до резервованій навантаженні – аварійного освітлення, холодильному. Інвертор додатково з’єднується з групою акумуляторних батарей, а після лічильника підключається нерезервируемая навантаження. Інша лінія йде від сонячних панелей до контролера, а потім через його виходи підводиться до проводів, підключених акумуляторної групі, через дві спільні точки на «+» і «-».
Найбільше поширення СЭСФ (електростанції фотоелектричного типу) отримали у приватному секторі: дачах, 2 — або 3-сімейних квартирах, заміських будинках, санаторіях і на промислових об’єктах. Придбати сонячну батарею для дачі не складе праці: в інтернеті вистачає компаній, що пропонують дану продукцію. Ціна сонячної батареї для дому не дуже велика – у середньому від 6,5 тис. рублів за кілька панелей, до 192 тис. – за повноцінний комплект, який забезпечить освітленням та електропостачанням весь будинок.
«Оптимум» 1000/3000 – це оптимальний комплект сонячних батарей для дачі, який призначений для використання з весни по осінь. Рівень вхідної потужності забезпечує енергопостачання, підтримує нормальне освітлення вдома та преддомового ділянки, роботу всіх пристроїв, що заряджаються, телефонії, радіо-і електротехнічних пристроїв, холодильного обладнання та пристроїв водопостачання:
- Назва: «Оптимум» 1000/3000.
- Комплектація: чотири оптичних приймача (модуля) ФСМ-150П на 250Вт/24В, 12-вольтів акумулятора Delta GX 12-200 з гелієм на 200 А*год, контролллер.
- Характеристики: напруги постійного і змінного струму – 24/220, енергетична ефективність – 4,6 кВт*год/день, энергопатенциал акумуляторів -9,6 кВт*год, максимально можлива навантажувальна потужність (підключених приладів) – 3 кВт, пікова навантажувальна потужність – 6 кВт, вага – 355 кг
SX-1500 – це відмінний варіант для скорочення рахунків за оплату електроенергії на дачі або в селі:
- Назва: SX-1500.
- Комплектація: чотири оптичних приймача (панелі) CHN250-60P на 250 Вт, інвертор мережевого типу – EHE-N1K5TL, комплект 15-метрових кабелів з роз’ємами.
- Характеристики: напруга змінного струму – 220 В з частотою 50 Гц, вихідна контактна група на напруга – 220 В з герметичним гвинтовим затиском, рівень вихідної потужності – 1,5 кВт, робочі діапазони по температурі від -25 до +60°C – для обладнання, і від -40 до +85°C – для панелей, маса – 105 кг.
Тарілчасті станції
Сонячна електростанція тарілчастого типу збирає енергію сонячних променів аналогічно споруд баштового типу, але, тим не менш, в їх конструктивному будові є відмінності. Наприклад модуль є опорою з фермової конструкції відбивача і приймача. При цьому останній встановлюється на місці з максимальною концентрацією відбитого сонячного світла.
Відбивачем в даній системі є дзеркало, виготовлене у формі тарілки, яка кріпиться на ферменную конструкцію. Дзеркала володіють великим діаметром, який може досягати 2 метрів. На одному з «полів» – ділянок для встановлення відбивачів – можуть бути розміщені понад декілька десятків тарілок. Кількість установок визначає кінцеву потужність всієї системи.
На параболічних концентраторах
Сонячна електростанція на параболічних концентраторах відрізняється конструкцією, яка нагріває теплоносій до стану, яке придатне для коректної роботи турбогенератора. У центрі споруди встановлюється постамент, на який монтують дзеркало параболоциліндричні форми. Воно забезпечує фокусування відбитого світла на трубці, забезпечує проходження теплоносія. Під дією променів він нагрівається, а потім підводиться до теплообмінника, що віддає тепло в воду, яка перетворюється в пар, подводящийся до турбогенератора.
Аэростатные
Сонячна електростанція аеростатного типу буває одного з двох видів:
- З сонячними фотоелементами або поверхнями, що поглинають тепло, які розташовуються на аеростаті. Вони мають ККД (коефіцієнтом корисної дії) менше 15%.
- З покриттям з параболічної металізованої плівки, яка вигинається всередину під впливом газу.
Особливістю аеростатів є те, що вони розташовуються на висоті, що перевищує 20 кілометрів, де відсутні хмари, які створюють затінення і опади. Верхівку аеростата виготовляють з армованої плівки для збільшення терміну служби. У центральну частину пристрою монтують параболічний концентратор, виготовляється з металізованого матеріалу. Він забезпечує концентрацію відбитого світла на термопреобразователе.
Термоперетворювач піддається охолодженню воднем, якщо енергія перетвориться в результаті розкладання води, або гелієм – при передачі енергії дистанційним методом з використанням НВЧ (надвисокої частоти) випромінювання або радіохвилі. Для орієнтування за місцем розташування сонця аеростати забезпечують гироскопами, а при управлінні апаратами використовують метод перекачування баласту – води. Один аеростат може складатися з декількох модулів – плаваючих куль.
Сонячно-вакуумні
Електростанції сонячно-вакуумного типу реалізуються на використанні енергії повітряних потоків. Вони створюються за рахунок різниці температурних значень в повітряному шарі біля поверхні землі і на деякому віддаленні від неї – ця ділянка формується штучно, і являє собою зону, закриту склом. Конструкція сонячно-вакуумної станції складається з високої вежі і ділянки землі, який накритий склом.
У підставі вежі розміщують повітряну турбіну з генератором, що виробляють електрику. Зростання потужності станції відбувається зі збільшенням різниці між температурами, а різниця залежить від висоти споруди. Така станція не погіршує екологічну обстановку, при цьому вона може експлуатуватися в цілодобовому режимі через використання енергії від нагрітої землі.
На двигуні Стірлінга
Такі станції конструктивно представляють собою параболічні концентратори, які фокусують відбите світло на двигун Стірлінга. На практиці застосовують варіацію двигунів Стірлінга, які здійснюють перетворення електроенергії без використання кривошипно-шатунного механізму, що збільшує ефективність апарату. Середня ефективність становить 30% за рахунок використання гелію або водню для отримання тепла.
Об’єднані
Нерідко на різного виду електростанціях встановлюється обладнання для теплообміну, який призначений для отримання технічної води, яка часто використовується в системах опалення. Станції цього типу були названі комбінованими з-за того, що в них забезпечується паралельне функціонування сонячних колекторів і самих фотоелементів.
Переваги сонячних електростанцій
Електростанції, що працюють на сонячній енергії порівняно з традиційними джерелами володіють рядом переваг:
- Сучасні установки підсилюють світло при наявності великої концентрації хмар, задіють промені, які знаходяться в невидимому спектрі частот, що забезпечує безперервну роботу.
- Дозволяють комбінувати види енергії, отримані з різних джерел: в основному використовуються вітросонячної батареї.
- Компактність. Переносні електростанції мобільного типу виготовляють невеличкого розміру, що допомагає використовувати їх в якості домашнього джерела електроенергії.
- Великий термін служби, що в середньому становить від 30 до 50 років. Підключаючи накопичувальні акумулятори, можна запасати енергію і використовувати її вночі.
- Економія на оплаті рахунків, оскільки енергія сонця безкоштовна.
- Дешевизна, довговічність і простота обслуговування.
Недоліки сонячних електростанцій
Електростанції, що працюють на сонячній енергії, у порівнянні з традиційними джерелами мають ряд мінусів:
- Дорожнеча окремих видів станцій. Це в основному відноситься до обладнання геотермального типу, яке продається тільки за кордоном.
- Необхідність використання об’ємних акумуляторів з великою ємністю, якщо споживачі мають потребу у використанні електрики вночі.
- Велика энергопотеря. Високопотужні станції перетворюють лише 20% від поглиненої сонячного світла, а решта йде на підтримку роботи устаткування.
