Типы солнечных электростанций: нагревательные и фотоэлектрические

Установка фотоэлементов

Устанавливаются они по специальной методике:

для увеличения производительности выставляется под углом 90 градусов к падающим лучам поверхность блоков;
допустимая погрешность (учитывая, что Светило движется) от перпендикулярного положения не может превышать 15 градусов;
при всесезонном пользовании электростанцией, необходимо угол выставить относительно широты в столько же градусов, но со знаком «+», т.е. +15 градусов;
если предполагается пользоваться станцией только в жаркое время, отталкиваются от значения угла в – 15 градусов.

Только, установив солнечную батарею под углом в 90 градусов к падающим лучам, можно рассчитывать на максимальную эффективность. Увеличить отдачу до полутора раз возможно, если батарею солнечную закрепить на поворотном устройстве, способном двигаться вслед за перемещением Солнца. Способ рассчитан на небольшие конструкции.

СЭС на параболических концентраторах

Основное предназначение солнечного параболического концентратора состоит в фокусировании солнечных лучей, попадающих на приемник излучателя. Он расположен на линии или в точке фокуса коллектора солнечной энергии.

Типовой параболический концентратор включает в себя следующие компоненты:

Отражатели (линзы), непосредственно концентрирующие солнечные лучи.
Основание для установки и крепления отражателей.
Солнечный коллектор, воспринимающий тепловую энергию.
Трубопроводы для подводки и отведения теплоносителя.
Система слежения с механизмом привода. Состоит из датчика направления на солнце, электронного преобразователя сигналов и электродвигателя с редуктором для поворотов концентратора в нужное положение. Ориентация может производится в одной плоскости – с востока на запад, или в двух плоскостях, когда добавляется движение с севера на юг. В последнем случае ориентация относительно Солнца происходит в течение всего года.
Различные конструкции могут быть дополнены регулирующим вентилем, термометром, циркуляционным насосом, контуром отопительной системы и другими деталями.

Как работает солнечная электростанция на параболических концентраторах, какая схема при этом используется? Чтобы добиться высокой температуры в концентраторе, необходимо обеспечить отражение солнечных лучей с большой поверхности на меньшую площадь приемника. Через этот приемник проходит жидкий теплоноситель, поглощающий максимальное количество тепла и передающий его потребителю.

Система концентраторов позволяет фокусировать лишь прямые солнечные лучи, поэтому они становятся менее эффективными при пасмурной погоде. Такие установки демонстрируют наивысший КПД в районах с высокой солнечной активностью, расположенных ближе к экватору.

При промышленном использовании параболических установок, зеркальные концентраторы фокусируют солнечное излучение более чем в 100 раз превосходящее первоначальное значение. Это дает возможность разогревать жидкость до 400 градусов, после чего она проходит через теплообменники и производит пар, вращающий турбины парогенераторов. Во избежание тепловых потерь, приемная труба заключается в прозрачную стеклянную оболочку на протяжении всей фокусной линии.

Как рассчитать количество гелиопанелей

Автономная солнечная электростанция для дома начинается со сбора информации.

Необходимы все данные по количеству солнечных дней в вашей местности. В этом помогут специальные метеосправочники и интернет. Подсчитать общее количество за год и с разбивкой по месяцам. Ориентиром для подбора мощности будущей солнечной станции для дачи служат количество месяцев с самыми скромными показателями.

Теперь рассчитываются ваши общие потребности в электричестве и годовые и помесячные. Надо учитывать, что главное не только накопить энергию, но и правильно ее использовать. Если автономная солнечная электростанция будет с небольшими потребностями, соответственно количество панелей надо меньше. А это влияет на конечную стоимость домашней электростанции от солнца.

Необходимо помнить, что эффективность панелей держится на уровне 12–14%. То есть, если солнечная эффективность для вашего региона составляет 20 кВт-час/м², тогда только панель площадью 0.7 м² будет отдавать 1.68 кВт-час. Дальше всё просто. Если потребность в электричестве примерно 80кВт-час/месяц нужно 48 панелей, на которых и будет эффективно работать солнечная станция.

Устройство и принцип работы автономной СЭС

В комплект автономной электростанции входят:

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

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

Преимущества автономных СЭС

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

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

Схема солнечной электростанции: на что обратить внимание при покупке

Автономная СЭС для частного сектора наиболее востребована для резервного электроснабжения частного сектора.

Схема тепловых батарей представляет единый блок со съемной крышкой, состоящий из элементов:

Фотопанели для создания тока;
Накопительный аккумулятор;
Инвертор, для преобразования тока;
Контроллер заряда, способствует накоплению ресурсов в аккумуляторе.

При выборе генератора, необходимо обратить внимание на некоторые нюансы. Количество солнечных батарей подбирают в соответствии с нагрузкой, необходимой продолжительности работы и географического расположения объекта

Провода должны быть оснащены водонепроницаемыми коннекторами. При выборе контролера заряда лучше остановиться на современном приборе МРРТ. Выключатель постоянного тока является важным элементом. Во-первых, он защищает контролер от выгорания. Во-вторых, позволяет безопасно производить обслуживание комплекса, которое необходимо обеспечивать как минимум 2-3 раза в год.

Принцип работы солнечных батарей

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Технические характеристики

Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:

Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;
Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;
Контроллер уровня заряда аккумулятора.

Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.

Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.

(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)

Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.

Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.

Принцип работы и разновидность солнечных электростанций

Функциональность солнечных электростанций зависит от их конструкции. Есть несколько видов СЭС. По функциональности они разделяются на две группы:

устройства, превращающие солнечные потоки сначала в тепловую энергию, а затем в электрическую;
станции, напрямую преобразующие радиацию светила в электрический ток.

СЭС бывают разного строения.

Башенная установка

Конструкция представляет собой сложную систему. Ее название говорит само за себя. Схема предполагает наличие специальной башни, вверху которой расположен водяной котел черного цвета.

Башня содержит группу насосов, качающих жидкость в резервуар. Рядом с высотным сооружением по кругу находятся наземные гелиостаты – опорные сферические зеркала. Они отслеживают перемещение солнца и направляют отраженный световой поток на емкость. Полученный в котле пар подается в турбины, которые вырабатывают электричество. Затем охлажденная жидкость возвращается в котел. Такой тип электростанции задействует стандартные турбокомпрессоры с высоким показателем КПД и мощности, что очень выгодно в промышленных масштабах.

Тарельчатый тип

Этот вид СЭС функционально напоминает предыдущую конструкцию, но имеет другую схему строения. Система состоит из высотных солнечных модулей с приемником и круглым зеркальным отражателем, напоминающим тарелку. Мощность модуля определяет количество используемых зеркал. Тарельчатая установка может работать от сети или автономно.

Солнечные электростанции с батарейными установками

Конструкции состоят из солнечных батарей, обеспечивают энергией разные объекты инфраструктуры. Они могут устанавливаться в разных частях здания или на специально отведенных территориях, так как легко поддаются монтажу. Основу системы составляют отдельные модули разной мощности, которые состоят из полупроводниковых материалов. Фотоэлектрические элементы способны преобразовывать в ток любые солнечные лучи – прямые или рассеянные.

С применением параболоцилиндрического концентратора

Это вид СЭС идентичен станциям башенного типа. Они нагревают теплоноситель так, как это нужно турбогенератору. Большую роль играет длинное зеркало параболоцилиндрической формы со специальной трубкой, которая перемещает масло или незамерзающую жидкость. Нагреваясь до нужной температуры, теплоноситель превращает воду в пар, который используется турбиной.

Как работает

С двигателем Стирлинга

СЭС с двигателем Стирлинга

Такие СЭС достигают высокой концентрации теплового излучения. Система улавливания светила осуществляется по двум координатам. Солнечный свет фокусируется в одном месте небольшой площади. Зеркальная конструкция оборудована тепловой машиной – двигателем Стирлинга с применением солнечных модулей. Она работает по принципу периодического нагрева-охлаждения рабочего тела, извлекая энергию путем изменения его объема. Рабочим телом может быть газ или жидкость.

Есть несколько вариантов двигателей Стирлинга, работающих по разным циклам. Функциональность машины зависит от особенностей ее конструкции. Цикличность задается диаметром поршня-вытеснителя, который влияет на радиус кругового движения регенератора.

Космического типа

СЭС аэростатного типа являются нововведением. Они работают при помощи специальных комплектов модулей, расположенных на орбитальных станциях вне нашей планеты. Устройства улавливают большое количество солнечной энергии, поэтому мощны и эффективны.

Комбинированные конструкции

Такой вид СЭС – это совокупность разных источников энергии с установкой солнечных батарей. Они могут включать несколько разновидностей солнечных электростанций или дополнительную установку теплообменных конструкций для образования раскаленной жидкости, которая впоследствии может применяться в разных целях.

С вакуумным механизмом

Солнечно-вакуумные электростанции функционируют на искусственно созданной энергии путем различия температур воздуха возле нагретой солнцем земли и на возвышенности. Конструкцию системы составляет башня с электрогенератором и закрытая стеклом прилегающая территория.

Аэростатные станции

Поднимаясь на определенную высоту и концентрируя солнечную энергию с помощью специального отражающего купола, передают ее в термопреобразователь, а затем вниз в форме электричества. Такой способ относительно дешевый, но малоэффективен.

Преимущества солнечных электростанций состоят в том, что солнечные панели долговечны. По разным подсчетам срок их службы составляет от 10 до 50 лет. Свет они улавливают даже в пасмурные дни.

Произведенное электричество заряжает специальные аккумуляторы, которые отдадут вам его обратно в темное время суток, когда батареи бездействуют. Не требуется дополнительного обслуживания и закупок топлива как в случае с бензиновым генератором.

Также очевидным плюсом является то, что вам не придется за эту электроэнергию платить. Теперь нет необходимости зависеть от стандартных поставок электроэнергии. В случае сбоев с электричеством, у вас всегда будет надежная альтернатива.

Разнообразие СЭС

Все существующие типы солнечных электростанций разделяются на:

тарельчатые;
фотопанели;
башенные;
аэростатные;
комбинированные;
параболоцилиндрические концентраторные;
солнечно вакуумные электростанции;
башенного типа;

Последние два варианта — солнечные тепловые электростанции. Сконцентрированная солнечная энергия перерабатывается в пар, который вращает турбину, вырабатывающую ток.

Такое богатое разнообразие видов СЭС — наглядное подтверждение тому, что такой вид энергетики очень востребован.

Поэтому, несмотря на плюсы и минусы солнечных электростанций, крупные электрические компании вкладывают серьезные денежные средства в строительство такого рода установок.

Главное правильно подобрать

Для домашнего пользования нужна именно та схема солнечной электростанции, которая подходит под конкретный тип задач, поэтому если вы уже точно решили сделать её у себя дома, то не поленитесь и прочитайте дальше.

Электричества на участке нет вообще

Можно реализовать хорошую схему автономной СЭС.

В дневное время модули накапливают электроэнергию. Можно параллельно и заряжать батареи и пользоваться электричеством по дому. Для повседневного применения в цепи применен инвертор (преобразователь) постоянного тока от батарей в переменный для домашних приборов.

В этом варианте необходим контроллер заряда. Тогда вся система будет работать более эффективно. С его помощью отслеживаются точки максимальной мощности. На практике это приводит к накоплению энергии в аккумуляторах даже в режиме недостаточной освещенности.

В этой схеме также применен дизель-генератор для подзарядки аккумуляторов. Зависит от того как собрать схему.

Централизованная сеть подается с перерывами

Возможен вариант, когда в вашем районе есть централизованная подача электричества, но мощностей местных сетей не хватает, и происходят частые долговременные отключения электропитания. Тогда, если необходимо иметь дома свет встает задача собрать солнечную электростанцию, можно применить гибридную СЭС. Она будет дополнять существующую городскую сеть.

В ней повторяется принцип автономной ЭС, но он дополнен гибридным инвертором, настроенным на использование гелиоэнергии. Такие как МАП серии Hybrid и Dominator. Такая установка максимально независима от городской электросети, так как приоритет отдается применению энергии солнца.

Высокий тариф на электроэнергию

Основная задача построения такой схемы, экономить центральную электроэнергию.

Как видно из рисунка из общей системы исключены аккумуляторы. Такой принцип работы быстро окупается за счет экономии сетевого электропитания.

Это основные схемы применения солнечных панелей. Все варианты того как работает солнечная электростанция и с помощью каких решений, могут дополняться другими конструктивными элементами.

Для чего нужны солнечные электростанции

Современная солнечная станция предназначена для электроснабжения приборов, которые работают при частоте 50 Гц и напряжении 220 В. Она также может питать приборы, работающие с малым напряжением 1,5-2 В.

Солнечные установки способны запитать такие устройства:

Системы противопожарной защиты.
Сигнализации.
Ноутбуки, телевизоры и бытовую технику.
Мобильные телефоны, планшеты и любую электронику.
Радиостанции.
Насосы или другие приборы.

Но, наличие мощной электростанции на солнечных батареях вполне может заменить общую энергосистему дома.

Солнечная электростанция для дома.

Аккумуляторы

Автономная солнечная электростанция потребует аккумуляторную батарею.

Для того, чтобы приборы служили дольше, следует соблюдать ряд правил.

Хранение производится в заряженном виде. Особенно на морозе.
Не нагревать более 30 градусов C.
Заряжать на 15 %, а разряжать не ниже 50 %, как правило.

Генератор из асинхронного двигателя: схема, таблица, инструкция, как сделать своими руками + фото от мастера!
Солнечная батарея своими руками — пошаговая инструкция как изготовить и провести монтаж солнечной батареи в домашних условиях (фото и видео-инструкция)
Солнечные коллекторы для отопления дома: преимущества, недостатки, мифы, правда и отзывы владельцев (130 фото + видео)

Предпочтительнее оказываются гелевые аккумуляторы. Их параметры: напряжение 24 В и емкость до 200 Ач (два, соединенных последовательно).

Плюсы и минусы применения в доме

Преимущества СЭС:

солнечный свет постоянен;
СЭС полностью экологичны;

Фотоэлектрическая энергостанция

автономность от центральной подачи энергии;
полная независимость системы;
долгий срок службы;
бесплатная энергия.

Но также есть несколько недостатков этих систем. Приобретение оборудования потребует больших финансовых затрат. Помимо этого, нужно купить батареи, потому что в ночное время станция не производит выработку энергии. Также необходимо иметь дополнительную площадь для установки системы. Сам процесс установки достаточно дорогой, и не все мастера готовы приняться за работу. Поэтому в небольших городах составит проблему сам монтаж панелей.

Преимущества сетевой солнечной электростанции

Экономия. В последние годы СНТ активно переходят на двух- и трехтарифную систему учета электроэнергии, в которую заложена существенная разница в стоимости электричества в разное время суток: ночью она может быть в 2-3 раза дешевле. Понятно, что если в течение дня, в период максимальной производительности СЭС (и самой высокой цены на централизованную подачу) получать электричество от солнца, а на централизованную сеть переключаться только ночью, это дает существенное сокращение затрат. Особенно полезна такая схема в случаях, если дом частично отапливается электричеством. Подробнее об отоплении помещений от солнечной электростанции смотрите здесь. Что касается окупаемости, то затраты на приобретение сетевой СЭС возмещаются за счет экономии в течение нескольких лет (срок зависит от индивидуальных параметров); если учесть, что срок службы качественных фотоэлектрических модулей исчисляется десятками лет, это выгодное вложение, которое в перспективе “выходит в плюс”. Например, компания ”Хевел”, российский производитель гетероструктурных ФЭМ, дает официальную гарантию на их выработку в течение 25 лет, а фактический срок службы таких модулей составляет 30 лет и более. Здесь следует также иметь в виду, что электричество дорожает каждый год, и можно только догадываться, какими будут тарифы через 10-15 лет.

Возможность продажи излишков электричества. Тут речь идет уже о прямой денежной выгоде, если СЭС вырабатывает больше энергии, чем потребляет домохозяйство. Примечательно, что это вполне легальный способ заработка: в декабре 2019 года Государственной Думой был принят законопроект о микрогенерации, который прямо разрешает владельцам генерирующих установок мощностью до 15 кВт продавать энергию сбытовым компаниям, при этом доходы от ее продажи не будут облагаться налогом.

Компенсация недостатка выделенной мощности. Сетевая СЭС решает проблему ограничения на выделенную мощность, с которой знакомы многие владельцы загородных участков. В подмосковных садовых товариществах на один участок полагается около 3 кВт, на деле может подаваться и меньше, особенно в периоды “высокого спроса” на электричество. Если дом оборудован электроприборами на уровне городской квартиры и имеет насосное оборудование для подачи воды и отвода канализации, выделенной мощности может не хватать — придется либо мириться с дискомфортом, либо искать способы увеличить мощность. Теоретически к этому нет препятствий и существует специальная процедура подачи запроса на увеличение выделенной мощности, но на практике владелец участка может получить отказ из-за того, что установленный в поселке трансформатор не рассчитан на повышенную нагрузку. В такой ситуации остается только искать альтернативные источники электроснабжения, и установка сетевой солнечной электростанции — лучший из них. А если модернизировать такую СЭС до гибридной, можно обеспечить надежное резервирование наиболее важных узлов, перебой в работе которых чреват поломками и нестабильной работой, подключив выделенную группу потребителей на солнечную электростанцию.

Возможность использовать СЭС для отопления. Обогреть солнечной энергией весь дом вряд ли получится, но она может хорошо себя показать в комплексном решении.

Экологическая чистота. Солнечная энергия соответствует всем стандартам “зеленой” энергетики: это возобновляемый ресурс, при использовании которого не наносится абсолютно никакого вреда окружающей среде. В Европе, где требования к экологической безопасности источников энергии становятся все жестче, использование солнечной генерации приветствуется и поощряется на государственном уровне.

Типы солнечных электростанций: простые и сложные решения