Солнечные энергетические установки

Тонкопленочные  солнечные батареи — имеют  невысокий КПД, но зато хорошо могут  работать даже при небольшом и  непрямом освещении, не нагреваются  во время работы и очень дешевы.

Преимущества солнечных  батарей

Первое: они  позволяют сэкономить на электричестве  — сегодня, когда электроэнергия дорожает изо дня в день, не хочется  переплачивать, тем более за то, что  можно получить гораздо дешевле.

Второе:  солнечный  свет — энергия не просто даровая, но и природная, то есть экологически абсолютно чистая. Использование  панелей-преобразователей не вредит окружающей среде, они абсолютно безопасны  и сохраняют ее первозданный вид.

Третье:  возможность  использования солнечной энергии  практически везде. Конечно, наша страна не расположена в экваториальной зоне, но в летнее время солнца хватает, а значит, энергии тоже. К тому же, емкие аккумуляторы позволят накапливать  ее, если погода вдруг не заладится, и долгое время будет пасмурно.

Четвертое:  — солнечная энергия — это  энергия будущего, а значит, все  технологии грядущего будут базироваться именно на ней. Самое время менять старые привычки и готовиться к переменам  — дешевое электричество в  каждый дом давно уже не миф.

Удобство  и надежность — отсутствие подвижных  частей означает, что сломать батареи  крайне трудно; таким образом, они  смогут прослужить вам весь срок эксплуатации по ГОСТу.

 

 

 

 

 

 

 

Системы автономного электропитания

 

Солнечные элементы и батареи (фотоэлектрические генераторы, фотоэлементы) относятся к классу возобновляемых "эко" источников электропитания, преобразующих энергию  солнца в электрическую.

 Большинство  фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) производятся из кремния,  после кислорода самого распространённого  химического элемента в природе. 

 Плотность  потока солнечного излучения  для средней полосы России (51-60°  с.ш.) – до 800 Вт/м2 (это максимум, в ясный летний день). При таком освещении, в полдень, современные солнечные панели выдают до 120 Вт (при КПД=15% и температуре 20-25°C) электрической мощности с квадратного метра.

 Полупроводниковые  материалы, из которых производят солнечные элементы и батареи:

 • на  основе кристаллического кремния  (жесткие, КПД 12-20% – уменьшается при нагреве - 0.45% считая от +25°С, спектр 0.5-1.0 – "видимый + инфракрасный");

 • аморфный  кремний (гибкие батареи, КПД  5-10%, спектр 0.2-0.7 – "ультрафиолет + видимый");

 • арсенид  гелия (жесткие, тяжёлые модули с КПД 10-25%, сохраняют работоспособность до температур +150°С, спектр 0.5-0.9 – "видимый", дорогие);

 • сульфидно-кадмиевые  (тонкоплёночные – гибкие, КПД  5-10% – стабилен до температур +100°С, спектр 0.2-0.7 – "ультрафиолет")

 

 Некоторые  особенности эксплуатации:

 1. "жесткие" батареи – хрупкие, поэтому, обычно, помещаются в ударопрочный корпус;

 2. Нельзя перегревать больше чем до 150-200 С, иначе произойдут необратимые изменения в контактных слоях и покрытиях;

 3. Использовать элементы с герметизирующими оболочками, для защиты от коррозии контактов, закорачивания n-p-переходов и потемнения покрытий. Для этого используют различные плёнки.  Защита особенно актуальна при эксплуатации в химически агрессивной среде городов и в походных условиях;

 4. В комплекте надо иметь не только гибкие солнечные батареи, но и обычные кристаллические, для возможности получения электропитания при рассеянном освещении, в помещении, через "стекло" оконное.

 

 Срок службы  современных солнечных модулей  – десятки лет. Дольше живут  (медленнее "выгорают") кристаллические, "жёсткие" батареи. 

 Высокий  КПД имеют "неотражающие" солнечные  элементы из кристаллического кремния с минимальной величиной отражения, имеющие текстурированную рельефную поверхность и просветляющее покрытие.  Такие батареи не пускают "зайчиков".  Элементы, прозрачные для инфракрасного излучения – меньше греются.

 

 Современные  солнечные батареи просты в  эксплуатации и надёжны. Они  могут работать в широком диапазоне  температур окружающей естественной  среды,  имеют длительный срок  службы, в зависимости от условий  эксплуатации. Солнечная энергетика  – экологически чистая, бесшумная  и практически неисчерпаемая.  Солнечные электростанции – перспективное  направление развития энергетики  в XXI-м веке.

Солнечные зарядные устройства, в минимальной комплектации – солнечная батарея с диодом и кассетой под аккумуляторы. Может использоваться преобразователь, стабилизатор напряжения и контроллер заряда. Для получения переменного тока с напряжением 220 вольт – нужно подключать инвертор к буферному аккумулятору.

 

 Термоэлектрические  генераторы (батареи) – полупроводниковые  термогенераторные модули работающие по известному принципу термопары (вырабатываемая электрическая мощность зависит от разности температур). Они, также, могут работать в качестве охладителя или нагревателя, если через устройство направить постоянный ток (элементы Пельтье).

 Термогенераторы  бывают низкотемпературные,  среднетемпературные и высокотемпературные.

 Максимальная  рабочая температура самых распространённых  термоэлектрических генераторов  – 200-250°C (они относятся к классу  низкотемпературных). Их типовые  размеры – 3*3 и 4*4 сантиметра. Напряжение, ток, мощность – порядка 2В, 1А, 2Вт (при температурах холодного / горячего спая 50 - 150 °С).

Буферные аккумуляторы

 Электроэнергию  от солнечных батарей или термоэлектрических  генераторов можно сначала накапливать  в буферных аккумуляторах, используя  в последующем, по мере необходимости.  Часто для этого используют  гелевые свинцово-кислотные (SLA, Sealed Lead Acid) и никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы различных типоразмеров.

 

 Для примера  рассмотрим NiCd-элементы размера  АА (пальчиковые).

 

Технические характеристики, особенности эксплуатации и другая информация:

 • Допустимая  температура разрядки: –40 - +60 °С, хранения: –50 - +70°С;

 • Напряжение  элемента: под средней нагрузкой  - 1.2В, без нагрузки - 1.30-1.38 В

 • Никель-кадмиевые  аккумуляторы имеют самое короткое  время заряда и выдерживают  высокие разрядные нагрузки. Имея  низкое внутреннее сопротивление  , при коротком замыкании могут выдавать разрядный ток больше 4 ампер и хорошо, при этом, держат рабочее напряжение 1.2В (почти до времени полного разряда). Данные аккумуляторы могут использоваться как штатные (встроенные), аварийные и вспомогательные (буферные) источники питания.

 • Форсированные  режимы зарядки требуют контроля  температуры и напряжения батареи,  иначе, выделяющийся водород разорвёт  корпус элемента.

 • Заряжать  NiCd аккумулятор лучше при постоянном (стабилизированном) токе.

 • Эксплуатация  при высокой температуре (+40°С) за год снижает ёмкость аккумулятора на четверть.

 • При  зарядке элементы, обычно, соединяют  последовательно – для выравнивания  тока по элементам. 

 • Могут  храниться разряженными (1 вольт на элемент). Оптимальная температура +5°С , в сухом и прохладном месте.

 • Выдерживают  более 1000 циклов зарядки/разрядки.

 • Саморазряд  меньше при низкой температуре  хранения Т < +10 °С

 • В  необслуживаемом состоянии могут  храниться несколько лет. 

 • Ресурс  NiCd батарей – порядка 10 лет

 

Недостатки  NiCd:

 • Содержат  вредные компоненты (особенно кадмий), сложные для утилизации. Этого  недостатка лишены новые никель-гидридные (NiMH) аккумуляторы;

 • "Эффект  памяти" при неполной зарядке; 

 • Относительно  большая саморазрядка: NiCd – 20% в месяц при комнатной температуре.

 Длительность  и ток зарядки в зависимости  от температуры элемента. Далее  приведены примерные значения  для никель-кадмиевых аккумуляторов  ёмкостью 1000 мА·ч:

 

Нормальные  условия зарядки аккумулятора NiCd:

Т = +15 - +40 °С

I = 100 мА (14 часов,  нормальный заряд током 0.1С).

I = 150-200 мА (7 ч., с контролем напряжения и температуры).

I = 250-500 мА (3 ч  - ускоренный заряд, контролировать  напряжение и температуру).

I = 1-2 А и дозаряд 100 mA (0.5-1 ч - быстрый заряд, с контр. U, Т)

I = 1-2 А импульсный

 

Особые условия - низкие, минусовые температуры, "на холоде":

Т = +5 °С

I = 50 мА (с  контролем напряженья).

 

Т = –20 °С

I = 20 мА 

стандартные режимы зарядки NiCd:

0.1С – 14-16 ч (100 мА для аккум. на 1000 мА·ч)

0.2С – 7 ч (200 mA для акка на 1000 мАч)

Параметры отсечки  зарядного тока NiCd (момент, когда отключают зарядку):

 – конечное  напряжение на элементе достигает  значений:

1.40 - 1.45 вольт  при комнатной температуре (20-25 С);

1.45 - 1.55 - при  0°С окружающей среды.

 – перегрев, когда температура элемента питания  превышает 55 градусов Цельсия.

 Если неизвестна  степень разрядки аккумулятора, то перед зарядкой его надо  разрядить до напряжения U = 1.0-1.1 В (на элемент) током 0,5 С (половина номинала ёмкости, 1 А.ч -> 0.5 А) и дать отстояться минут пятнадцать.

 В многоканальных  зарядных устройствах - на одном канале должны ставиться только однотипные аккумуляторы.

 Подаваемое  на элемент расчетное напряжение – 1.35-1.45В для десятичасовой (оптимальной) скорости зарядки при комнатной температуре. В случае превышения этих значений, например, вдвое – последовательно включают балластный резистор с электрическим сопротивлением до нескольких десятков Ом. Такой же эффект даёт диод, на котором падает часть напряжения и который предотвращает обратный разряд (саморазряд, возможный при работе в цепи с солнечной батареей, при недостаточном освещении или в темноте).

 При сверхразряде (U < 0.9 вольт), разрядившийся аккумулятор следует заряжать током 0.1С в течение 18-24 ч.

 Раз в  месяц, а также после длительного  хранения – проводить цикл  полной разрядки и зарядки.  Для лечения эффекта "памяти" никель-кадмиевого аккумулятора, нужно  до трёх циклов такой "тренировки"; данная функция есть в зарядных устройствах – "кондиционерах батарей" и в специальных устройствах – "анализаторах" и тестерах. Периодичность проведения этой процедуры – раз в месяц для NiCd и через 2-3 месяца для NiMH.

 Возможно  длительное (год и более) хранение  Ni-Cd батарей (и заряженных и разряженных) – при температурах от -20°С (саморазряд в холоде, при минус двадцати – минимальный, с потерей лишь 10-20% ёмкости в год) до +5°С. Подзарядки складированных никель-кадмиевых аккумуляторов не требуется.

Никель-кадмиевые  аккумуляторные батареи хорошо подходят в качестве аварийных источников электропитания, находясь всё время, непрерывно на зарядке током 0.02-0.05 С5 А (примерно 20-50 миллиампер для батареи ёмкостью 1Ач при температуре +15 - + 40 С, при минусовых – в несколько раз меньше) и переходя при нештатной ситуации в режим разряда – питания аварийного освещения и т.д. На малом токе перезаряд NiCd-аккумуляторам не страшен, в отличие от свинцовых, для которых нужен специальный контроллер, отключающий зарядку при достижении напряжения 14,5В на 12-вольтовой батарее.

Нагрузка:  пиковая / оптимальная

NiCd          20С      1С

NiMH           5С      0,5С и ниже

Lead Acid(свинцово-кислотные)5С 0,2С

Li-Ion         >2С     1С и ниже

Li-Ion Polymer >2С     1С и ниже

Батарейка Alkaline 0,5С 0,2С и ниже

Солнечные электростанции – перспективные направления развития энергетики в XXI-м веке.