Вопросы применения солнечной энергии для автономного электроснабжения.

Наша звезда Солнце – единственный источник энергии, обеспечивающий в глобальном масштабе само существование жизни на нашей планете. Уникальные условия, в которых находится Земля, обеспечивают возможность существования всего многообразия жизненных форм: от простейших, бактерий и вирусов до вершины эволюции – мыслящего существа – человека. Если бы наша планета была немного ближе к Солнцу – высокие температуры не позволили бы развиться жизни в том виде, в каком мы её видим вокруг. Если бы наша планета была немного дальше от Солнца, низкие температуры опять же не позволили существовать жизни. Так сложилось, что энергии поступает ровно столько, сколько требуется для развития биологических объектов "земного типа".

Известно, что уровень излучения нашей звезды остаётся примерно постоянным на протяжении всего времени наблюдений. На уровне моря эта величина примерно равна 1 кВт/м². В обозримом будущем это излучение сохранится, так как жёлтые карлики, а именно к такому типу относится Солнце, имеют значительный по продолжительности период жизни – несколько миллиардов лет. Можно ли как-нибудь использовать этот поток энергии? Оказывается можно. Человечество давным-давно использует энергию своего светила. Костёр первобытного человека – ничто иное, как использование запасённой в древесине энергии Солнца. Нефть, уголь, газ – остатки древних растений накопивших солнечную энергию за миллионы лет. Каждый, я думаю, сам сможет привести подобные примеры.

Более ста лет человечество использует электричество – наиболее универсальный вид легко трансформирующейся энергии. После соответствующих успехов естественных наук стало возможно непосредственное преобразование энергии солнечного излучения в электричество. Такую возможность предоставляют полупроводниковые материалы, в частности кремний. Кремний – третий по распространённости элемент во вселенной и второй, после кислорода, на Земле. Запасы кремния практически неисчерпаемы. Обычный песок ничто иное, как маленькие кусочки окиси кремния. После довольно сложных процессов из кремния выращивают монокристаллы, которые затем нарезаются на пластины, травятся, формируютсяp-nпереходы, наносится контактная маска – мы получили пластину толщиной 0.2-0.4 мм  - так называемый «солнечный кремний» или ФЭП (фотоэлектрический преобразователь. Уникальны свойства пластины солнечного кремния – при попадании фотонов светаиз внешней электронной оболочки быбивается один электрон, при замыкании цепи появляется ток. В настоящее время КПД лучших образцов достигает 17-18%, больший КПД можно получить, если заставить каждый фотон света освобождать не один, а два электрона, такие работы ведутся в Лос-Аламосе и КПД уже достигает величин 37%. Для получения солнечной батареи (солнечного модуля, солнечной панели) элементы соединяются последовательно или последовательно-параллельно для получения необходимых электрических параметров по току и напряжению. Обычно максимальное значение тока у пластин кремния находится в районе напряжения 0.48-0.5 В. При росте освещённости пластины сначала возрастает напряжение, а затем ток. Возникающий ток можно использовать для питания различных устройств или зарядки аккумуляторов. Так как величина солнечного излучения очень сильно меняется в течение дня,а ночью вообще нет солнечного света, предпочтительней использовать солнечные батареи для зарядки аккумуляторов или использовать в системах с буферным аккумулятором или конденсатором. Интересная особенность солнечных батарей – при подсоединённом аккумуляторе напряжение стабилизируется на величине немного превышающей напряжение на аккумуляторе (естественно при наличии солнечного освещения), например разряженный щелочной аккумулятор, с номинальным напряжением 12 В, имеет напряжение 3.8 В, при присоединении солнечной батареи с напряжением холостого хода 16 В при наличии солнечного излучения достаточной интенсивности напряжение на аккумуляторе составит примерно 4.0-4.1 В и будет расти по мере зарядки аккумулятора, при этом ток практически останется постоянным. Таким образом, солнечная батарея представляет собой почти идеальное зарядное устройство. Естественно при конструировании солнечной системы необходимо учитывать и потери в проводах, и переходные сопротивления контактов и потери в присоединённых устройствах: контроллерах заряда и т.д. тем более что вопросы экономии, в том числе экономии энергии, при использовании солнечных систем приобретают особо важное значение.

Попытаемся понять, как можно сконструировать автономную солнечную систему, какие факторы имеют большее, а какие меньшее значение.

Прежде всего, надо определить, сколько энергии вам понадобится в месяц, и чтобы стоимость солнечной электростанции не стала фантастически большой по мере возможности уменьшить потребности (применяя энергосберегающее оборудование). Затем необходимо определить, сколько солнечной энергии можно получить в той местности, где будет работать солнечная установка. Примерные данные приводятся в метеорологических справочниках, кое-какую информацию по солнечной инсоляции можно найти в Интернете, мы можем предоставить вам самую полную информацию по инсоляции, скорости ветра, другим метеорологическим параметрам - более 200, если вы укажете географические координаты местности (или название расположенного рядом крупного города). Обычно уровень солнечной инсоляции выражается в Ваттах/м² с разбивкой по месяцам. Причём сезонные колебания могут быть очень значительными. Например в Московской области в летние месяцы солнечного излучения на горизонтальную площадку в 8 раз больше чем в декабре-январе, а если солнечную батарею расположить оптимальным образом, то уменьшение инсоляции всего в 2.5 раза. Если предполагается использовать солнечную электростанцию круглогодично, расчёт надо производить по месяцам с наихудшими параметрами по инсоляции (конечно, если предполагается использовать только солнечную энергию). КПД солнечных батарей для расчётов надо принимать не выше 14% (а лучше 12%), т.к. несмотря на КПД элементов 16 или даже 17 % (а чаще используются элементы с КПД 14-15%) часть излучения отразится от поверхности стекла закрывающего элементы (даже если используется антибликовое стекло), часть излучения погасится в толщине стекла, не вся поверхность солнечной батареи закрыта кремниевыми пластинами – между ними зазоры 2-3 мм, кроме этого некоторые элементы имеют обрезанные углы, что также уменьшает полезную площадь. Некоторые изготовители приводят примерную выработку энергии в месяц при разных уровнях солнечного излучения. Теперь, чтобы определить количество солнечных батарей необходимо разделить желаемую потребность в энергии на возможную выработку энергии одной батареей в те месяцы, когда будет использоваться солнечная электростанция, естественно расчёт ведут по самым наихудшим параметрам по инсоляции. Например установка будет эксплуатироваться в Московской области круглогодично, потребность в энергии 100 кВт час/месяц, одна батарея из выбранных вами произведёт в декабре не более 8 кВт час энергии, 100 : 8 = 12.5 батарей. Те же условия но неизвестна производительность батареи, но есть её площадь 0.7 м²: инсоляция в декабре примерно 21 кВт час/м2 за месяц такая батарея произведёт примерно: 21 х 0.7 х 0.14 (КПД)=2.06 кВт час энергии, для определения количества солнечных батарей опять делим желаемое количество энергии на выработку одной батареи: 100 : 2.06 =48.54 шт. округляем в большую сторону 49 шт. Следует отметить, что все эти расчёты носят приблизительный, ориентировочный характер, т.к. количество солнечных дней может сильно отличаться в разные годы, всегда надо учитывать, что запас только улучшает параметры системы. Увеличение производительности солнечных батарей – это отдельная большая тема, отмечу только несколько способов увеличения производительности: выбор оптимального угла установки (всегда желательно, чтобы поверхность солнечной батареи располагалась перпендикулярно к лучам солнца, с максимальными отклонения ми в ту или иную сторону не более 15⁰), т.к. солнце в течении года постоянно меняет высоту над горизонтом желательно устанавливать солнечные батареи под тем углом который обеспечивает максимальный выигрыш по производительности в нужное время, например если предполагается использовать солнечную электростанцию круглогодично, то батареи устанавливают под углом + 15⁰ к широте местности, а если только в летние месяцы то под углом – 15⁰ от широты; другой путь увеличения производительности (применим только для небольших систем) поворачивать солнечную батарею вслед за солнцем в течение дня, таким образом можно увеличить выработку энергии вплоть до 20% от выработки в стационарном положении; ещё один путь, который даёт достаточно существенный выигрыш в производительности – применение контроллера заряда с функцией ОТММ (Отслеживания Точки Максимальной Мощности, по-английскиMPPT(Maximum Power Point Tracking)), такой контроллер при наличии достаточной освещённости не препятствует поступлению энергии от солнечных батарей на аккумуляторы, а при недостатке освещённости накапливает энергию и подаёт её на аккумулятор порциями с оптимальными значениями тока и напряжения. Но конечно если с таким трудом полученную энергию расходовать неэкономно, то все ухищрения по получению дополнительной энергии пропадут впустую. Наибольший выигрыш  в автономных системах электроснабжения можно получить, экономя энергию. Замена ламп накаливания на люминесцентныес электронными ПРА или компактные люминесцентные (энергосберегающие), а там где надо получать большие световые потоки (освещение территорий, торговых залов и т.д.) на газоразрядные даёт снижение затрат на освещение примерно в 4-10 раз. Применение бытовой техники с индексом энергопотребления «А» или «А+» даёт ещё более значительный выигрыш. Вообще вопросы энергосбережения, в условиях значительного роста цен на энергоносители приобретает первостепенное значение не только в системах электроснабжения на солнечных батареях.

Немного коснёмся принципов конструирования систем автономного электроснабжения на солнечных батареях - солнечных электростанций. Мы уже пробовали рассчитать необходимое количество солнечных батарей, теперь перейдём к остальным компонентам системы. Энергия, полученная от солнечных батарей, направляется на зарядку аккумуляторов – это необходимо по двум причинам: сглаживание неравномерности поступления энергии, например в облачную погоду, и потребность в энергии тогда, когда нет солнечного излучения (ночью и в пасмурные дни). Для подбора количества и типа аккумуляторов используются тоже два параметра: конструкция инвертора (напряжение на низкой стороне) и ток зарядки, который может поступать от нескольких источников и не должен превышать 10 %  от номинальной ёмкости для кислотных аккумуляторов и 25-30% от номинальной ёмкости для щелочных. Если в инверторе имеется зарядное устройство от сети, то оно должно автоматически регулировать зарядный ток в зависимости от степени заряда аккумуляторов. Кроме этого, особенно если подзарядка от существующей сети отсутствует, необходимо чтобы аккумуляторы не боялись сульфатации пластин и расслоения электролита иначе подзарядка маленьким током, который часто бывает в пасмурную погоду, быстро выведет аккумуляторы из строя. К необходимым свойствам аккумуляторов применяемых в солнечных системах причислим и низкий уровень саморазряда (иногда изготовители указывают эту отличительную черту), обычный кислотный аккумулятор требует подзарядки не реже чем один раз в шесть месяцев иначе выходит из строя, через год после начала эксплуатации уровень саморазряда обычного кислотного аккумулятора достигает 1.5% в день от его номинальной ёмкости. Поэтому к аккумуляторам, применяемым в солнечных системах, предъявляются специфические требования. Лучше всего зарекомендовали себя полностью герметичные необслуживаемые аккумуляторы собранные по технологиям AGM или GEL? они имеют кроме всего вышеперечисленного и длительный срок службы 10-15 лет.

Теперь перейдём к инверторам. Вообще близкой к идеальной конструкции солнечной электростанции следует считать ту, где разные группы нагрузок получают питание от разных инверторов и количество и мощность инверторов соответствует количеству и мощности автоматических выключателей в распределительном щитке, эти параметры выбираются при конструировании домовой сети. Например: в распределительном щитке 4 автомата на 16 А (максимально допустимая нагрузка на бытовые сети – розетки и освещение) и 2 автомата на 25 А (для питания силовой техники), идеальным считаем применение 4 инверторов мощностью 16А х 220В=3520 Ватт и двух инверторов мощностью 25А х 220В=5500 Ватт, причём питание эти инверторы могут получать от одной группы аккумуляторов, заряжаемых одной группой солнечных батарей. Обычно изготовители указывают не мощность в Ваттах, а максимальную мощность  в Вольт-Амперах – этот параметр выше по значению примерно на 20-30%. Многие фирмы выпускают инверторы с самыми различными свойствами. Они могут отличаться формой выходного сигнала (наиболее простые и дешёвые на выходе дают прямоугольный сигнал, так называемый «меандр», изготовители, правда чаще называют его: модифицированной синусоидой, имитированной синусоидой, псевдо-синусоидой, квазисинусоидой и т.д.), способом компенсации нагрузок (за счёт сохранения амплитуды напряжения или площади кривой), применяемым схемным решением (одно или два преобразования напряжения, импульсным или аналоговым преобразованием сигнала). Некоторые инверторы имеют встроенное зарядное устройство от существующей сети, другие могут осуществлять подпитку сети и направлять энергию, полученную от солнца в сеть. Вообще конструкция инвертора может быть самой разнообразной. Но в целом качественный инвертор (по нашему мнению) должен выдавать чистый синусоидальный сигнал с искажениями меньше 3 %, не менять значение амплитуды напряжения при подключении нагрузки более 10 %, иметь значительный запас по перегрузке и набор защитных функций: от короткого замыкания в нагрузке, от неправильного подсоединения к аккумуляторам, от перегрузки, от неисправности аккумуляторов, не допускать глубокого разряда аккумуляторов. Все остальные функции могут быть, а могут и отсутствовать, иногда лишние сервисные функции затрудняют пользование подобным прибором, пользователь должен (в идеале) включить прибор и забыть об его существовании. 

Ещё один достаточно важный вопрос, на который необходимо обратить внимание при конструировании солнечных электростанций – вопрос запаса параметров. При использовании солнечной энергии мы применяем непредсказуемые природные явления, поэтому для обеспечения стабильности электроснабжения необходимо иметь запас по источникам энергии (солнечным батареям), по хранилищам энергии (аккумуляторам) и по преобразователям энергии (инверторам). Естественно подходить к вопросу избыточности надо разумно. Иногда бывает лучше и дешевле применять гибридную схему электроснабжения с применением других источников энергии: разного рода генераторов, топливных ячеек, существующего подключения к электросети и т.д.

В заключение можно сделать вывод, что в условиях, когда традиционные энергоносители дорожают, а на горизонте истощение природных ресурсов - обоснованность и необходимость применения альтернативных источников электроснабжения возрастает многократно.