Солнечные батареи и модули как источники питания

Внедрение систем обеспечения электроэнергией, получаемой от Солнца, приводит к реальной экономии средств и обеспечивает на этой основе экономическое развитие больших и малых предприятий за счет эффективного использования ресурсов и оптимизации затрат на оказание услуг.

В солнечной электроэнергетике всё вроде бы просто: пре­образовал солнечную энергию с помощью фотоэлектричес­ких пластин и пользуйся ею, если бы не… вращение Земли вокруг Солнца. Это приводит к тому, что один и тот же уча­сток земли в разное время дня освещается по-разному, кроме того, в силу солнечного света вносят свои корректи­вы и такие факторы, как ветер (циркуляция атмосферы), по­годные условия, осадки, солнечные затмения и др.

Кроме Солнца на движение воздуха влияет вращение Земли вокруг своей оси и неоднородность ее поверхности, что, в свою очередь, вызывает «трение» (отражение) воз­душных масс о почву и увлечение их плотности. Что также приводит к увеличению сопротивления солнечному свету.

Факторы, влияющие на эффективность работы солнечных батарей

Активность Солнца — солнечную радиацию (Solar Irradiance) принято измерять в Вт/м². Чтобы представить, в каких от­носительных величинах может выражаться активность солн­ца, добавлю, что на экваторе это значение может достигать 1020 Вт/м². Но в разное время суток и при различных по­годных условиях эти значения значительно отличаются друг от друга. Поэтому одно из решений в этой области сводится к тому, чтобы организовать стабильный и принудительный по­ворот солнечных панелей-фотоприемников в автоматическом режиме. Solar tracking (принудительный автоматический по­ворот панелей) для слежения за солнцем всего лишь по двум координатам позволяет «собрать» энергии Солнца на 40% больше. В таких устройствах слежение за движением солн­ца осуществляется в течение дня (восход-закат) и слежение за углом высоты солнца по сезонам года (по координатам Север-Юг). Проблему представляет затенение солнечных панелей и другие факторы снижения эффективности «солнеч­ного генератора».

Солнечные панели могут затеняться и снижать выраба­тываемую мощность по следующим причинам:

• затенение от расположенного невдалеке на относитель­ном удалении объекта (горы, высокий лес) — фактор ха­рактеризуется неудачным расположением солнечных па­нелей;
• наличие облачности, тумана, сильного дождя, снега, пы­ли, листопада и даже птичьего помета.

Все эти факторы оказывают влияние на мощность свето­вого потока, который воспринимает солнечная батарея.

Принцип преобразования солнечной энергии

В солнечных батареях используют различные варианты фотоэлектрических (ФЭ) модулей. Наиболее распространены ФЭ модули в двух вариантах: mono-crystalline silicon — монокристаллический кремний и polycrystalline silicon — поликристаллический кремний.

Самый высокий КПД преобразования солнечной энер­гии в электрический ток (КПД от 14 до 20%) дает модуль на основе структурированного монокристаллического кремния (mono-crystalline silicon), по структуре такой модуль напоми­нает монокристаллический «слоеный пирог». Относительно дорогостоящая и длительная технология «выращивания» мо­дулей связана с тем, что применяется однородная кристал­лическая структура кремния с точным позиционированием атомов, участвующих в преобразовании энергии. Но фото­электрические пластины не ровной формы, и по краям мо­дулей происходит потеря солнечной энергии. Их также ха­рактеризует высокая технологическая точность производст­ва модулей и повторяемость технических характеристик.

Внешний вид модуля из монокристаллического крем­ния показан на рис.1. Этот модуль имеет небольшую мощ­ность — 36 Вт (выходное напряжение 12 В постоянного то­ка), однако даже он обеспечивает питание небольшого эле­ктронного устройства.

О сроке службы и надежности этих модулей стоит сказать особо. К примеру, срок службы модуля REC Solar REC 240РЕ с выходной мощностью DC-Nominal Power (Pn) 240 Вт и вы­ходным напряжением DC-Open-Circuit Voltage (Voc) 37,7 В (DC-Max Power Current (IMPP) = 7,90 А) в среднем состав­ляет 25 лет (до износа 80%). При габаритных размерах 1665x991x38 мм его розничная цена по состоянию на март 2015 года составляет почти 3 тыс. USD.

ФЭ модуль на основе поликристаллического кремния (poly­crystalline silicon) показан на рис.2. Производится он из лито­го кремния. Это менее затратная технология, чем монокри- сталлический кремний, что позволяет создавать более деше­вые модули. Качество материала — несколько хуже, сказыва­ются пограничные эффекты неоднородностей и зернистости, поэтому КПД таких ФЭ модулей составляет от 13 до 15%.

Третий, менее распространенный вид ФЭ модуля на ос­нове тонкопленочного микроморфного кремния показан на рис.3. Он имеет максимальную выходную мощность 130 Вт при габаритных размерах 1300x1100x6,8 мм и массе 26 кг его площадь рабочей поверхности составляет 1,4 м².

В состав модуля входят такие компоненты, как Thin Film Silicon — тонкопленочный микроморфный кремний, CdTe, Cu(ln,Ga)Se² и прочие экзотические комбинации компонентов. Его отличает относительно невысокая стоимость, конформ­ный материал, малый вес, простота инсталляции. В сравне­нии с поли/моно кристаллическими, такому ФЭ требуется боль­шая площадь для генерации той же электрической мощности.

Тонкопленочный модуль на основе Thin Film Silicon имеет самый низкий (из трех рассмотренных выше типов) КПД — всего от 6 до 10%, но вместе с тем — более широкий спектр поглощаемого солнечного излучения. Из особеннос­тей модуля важно отметить его гибкость (может устанавли­ваться на неровных поверхностях).

Примеры соединения фотоэлектрических модулей в электрическую цепь

Для увеличения выходного напряжения и выходной мощ­ности фотоэлектрические модули включают в последова­тельную и параллельную электрическую цепь — string (линей­ка последовательно включенных ФЭ модулей); благодаря та­кому включению можно добиться выходного напряжения (String Voltage, UMPP) в диапазоне 180…354 В, при токе (Istring) в нагрузке до 5 А.

На рис.4 показана структурная схема соединения ФЭМ в последовательную электрическую цепь (String = последова­тельное соединение ФЭ модулей).

Такие параметры для одиночного ФЭ модуля обеспечи­ваются при температуре окружающей среды 25°С и солнеч­ной радиации 1000 Вт/м².

Для наглядности на рис.5 показана фотоэлектрическая «решетка» (array), состоящая из параллельно включенных ли­неек (PV string).

Модули для построения гибридных систем электропитания

Сам по себе ФЭ модуль и даже составленные из них ба­тареи недостаточны для обеспечения питания конечного по­требителя. Это связано с нестабильностью солнечной ради­ации и многими другими факторами. Именно поэтому ФЭ мо­дули нуждаются в связанной системе обеспечения автономного электропитания, которая состоит (кроме ФЭ модулей) из АКБ, рассчитанных на большое количество циклов заря­да/разряда, DC/DC-конверторов (МРРТ), контроллеров систе­мы электропитания (заряда/разряда АКБ), инверторов, ста­билизаторов, устройств защиты и другого оборудования. Каж­дый элемент этой системы электроснабжения необходимо подбирать под конкретные задачи конечного потребителя.

Конверторы постоянного напряжения

На конкретном примере преобразователя постоянного на­пряжения — конверторе DC-DC FP2 48V 1500W НЕ SOLAR МРРТ рассмотрим взаимодействие ФЭ модуля с ним.

Гальваническая изоляция входа и выхода конвертора поз­воляет применять этот конвертер с любыми ФЭ панелями: поли/монокристаллическими и тонкопленочными (последние требуют заземления). К конвертору типа DC-DC FP2 48V 1500W НЕ SOLAR (и аналогичному) необходимо подключить не менее шести ФЭ панелей с выходным (номинальным) на­пряжением постоянного тока 30 В ±30%.

Важно, что алгоритм работы Maximum Power Point Tracking (МРРТ) с функцией оптимизации выходной мощности от ФЭ пластин позволяет получить от ФЭ пластин 100% вырабаты­ваемой ими мощности при различных режимах освещеннос­ти. Так, при выходном постоянном напряжении ФЭ батареи в диапазоне 48…58 В, выходная мощность лишь одной бата­реи составит примерно 1500 Вт при КПД модуля более 96%.

Для обеспечения управления гибридными системами электропитания применяются специальные устройства — кон­троллеры. Когда аккумулятор для зарядки подсоединяется к солнечной панели (модулю, блоку, состоящему из нескольких ФЭ модулей), в электрическую цепь необходимо включать контроллер для предупреждения перезарядки АКБ для сохра­нения срока ее службы.

Работа ФЭ батареи на кривой зависимости ток/напряжение где-либо еще, кроме точки максимальной получаемой мощности, приводит к снижению эффективности её работы. Следовательно, контроль точки максимальной мощности яв­ляется необходимой функцией, так как увеличивает эффек­тивность ФЭ батареи на 30% и более.

DC-разъемы, предохранители, автоматы и варисторы за­щиты, простой монтаж и запуск, возможность замены инвер­тора без замены блока подключения солнечных панелей — все это можно записать в «плюсы» такой системы. Но есть и минусы: дисплей TFT (экран с диагональю 3,2” и разреше­нием 320×240 точек в стандарте QVGA) не будет отобра­жать информацию при морозе (температура воздуха ниже -15°С). Т.е. контроллер желательно устанавливать в отапли­ваемых модулях или жилых помещениях. Устройство может функционировать в режиме удаленного мониторинга, когда конфигурирование параметров производится дистанционно по протоколу Ethernet (TSP IP /SNMP).

Для построения мощных солнечных генерирующих стан­ций или индустриальных объектов применяются мощные ин­верторы для преобразования постоянного тока в перемен­ный, которые имеют трехфазный выход, что предусматрива­ет их подключение к промышленной сети 380 В.

К примеру, линейные инверторы для отдельно стоящих объектов имеют выходную мощность до 22 кВт (при КПД 97,3%), что позволяет с их помощью обеспечить питание в осветительной сети отдельного дома и/или даже небольшого деревенского хутора (фермерского хозяйства).

На рис.6 показана блок-схема подключения инвертора в системе автономного энергоснабжения. Цена такого обору­дования составляет более 1,5-2 тыс. USD. Интересно, что в Финляндии автономные системы энергообеспечения на ос­нове преобразователей энергии солнца и ветра можно встре­тить повсеместно. Фермеры не экономят на них, поскольку такое оборудование вполне окупается за несколько лет (с учетом стоимости электроэнергии в Финляндии). В России и на Украине пока такого массового применения ФЭ устано­вок не наблюдается, особенно в фермерском секторе.

Себестоимость автономной ФЭ

Приведем пример стоимости автономной ФЭ системы мощностью 3 кВт для бытовых нужд. Эти данные помогут представить насколько рентабельны затраты на такое обо­рудования для потенциальных потребителей. Цены даны по состоянию на июль 2015 года.

• Главный элемент — ФЭ модуль:

Solar module REC 225 РЕ 48……. 700 USD

• Преобразователи FP 2 48 V:

8kW+12kW Solar Power Syst …… 2000 USD

FP 2 48V 1500 HE Solar Converter…..720 USD

FP 2 48V 2kW HE Rectifier………500 USD

• Контроллер EXIDE Solar Battery 7OPzV600-24….725 USD
• Качественные АКБ с большим числом циклов разряд/заряд (Battery stand)…..800 USD
• Комплект кабелей питания Connection cables KIT……. 250 USD
• Mounting frame for PV Modules…………500 USD.

Как видим, стоят такие системы весьма не дешево. Та­кие системы внедряются также и в северных районах РФ. К примеру, на о-вах Валаамского архипелага, в том числе для энергопитания Валаамского монастыря, давно применяется система на основе солнечных батарей (см. фото в начале статьи), состоящая из последовательно подключенных лине­ек-модулей типа REC Solar REC 240РЕ с выходной мощно­стью 240 Вт.

Основные технические характеристики используемых в этой солнечной электростанции инверторов (со встроенным трансформатором) для солнечных батарей:

• Мощность входная……4400 Вт (DC)
• Входное напряжение……..230-480 В (DC) МРРТ, 600 В (max)
• Выходное напряжение………..185-276 В (АС), при частоте сети 50…60 Гц
• КПД в непараллельном включении до……97,3%
• Класс защиты ………. IP65 Outdoor
• Гарантированный температурный диапазон…….. -25…+55°С
• Энергопотребление в «ночном режиме»…. < 1 Вт
• Включение инвертора при входной мощности ФЭ модулей …..7 Вт.

Линейные инверторы предназначены для отдельно стоя­щих объектов (жилые здания, коммерческие индустриальные объекты), рассчитаны на подключение к сети переменного тока (GRID Connection) с мощностью потребителя в диапазо­не 2,2-22 кВт, по однофазной или трехфазной схеме.

Линейные инверторы, как правило, бестрансформаторные. Они рассчитаны на диапазон входного постоянного на­пряжения 350…710 В и пиковые значения до 880 В, то есть рассчитаны с запасом. Выходное напряжение в диапазоне 230 В (переменный ток) при частоте 47,5—50,2 Гц, что впол­не приемлемо для большинства бытовых потребителей в стра­нах СНГ. Они отличаются очень высоким КПД (96,7%) и име­ют класс защиты IP66 — для уличного применения, что поз­воляет им эффективно функционировать круглый год в усло­виях колебаний температуры окружающего воздуха -20…+60°С. На рис.7 показана блок-схема подключенного в систему инвертора с возможностью питания от нескольких автономных источников энергии — от ФЭ модулей, ветрогенератора и резервного дизель-генератора.

Разумеется, при более низкой температуре работа инвер­торов не гарантируется. Однако производители и эксплуата­ционные службы выходят из положения тем, что плотно гер­метизируют шкафы, в которых установлено оборудование, и за счет естественного нагрева при работе самих инверторов, достигается вполне приемлемая температура. На рис.8 по­казан утепленный уличный шкаф с оборудованием (в том чис­ле с инверторами), преобразующим электроэнергию от сол­нечных батарей.

 «Уличный кабинет» с трехфазной системой Уличный кабинет (Outdoor Cabinet) Type 3 с комбиниро­ванной системой электропитания мощностью 39,6 кВт (3×13,2) рассмотрим на следующем примере. На рис.9 показан вид на открытый электрощит трехфазной системы электропита­ния Outdoor ТЗ FF-1.8 m с FP2 Solar НЕ Converter мощнос­тью 6 кВт для заряда АКБ от ФЭ панелей.

Панель подключения кабелей от солнечных панелей на­ходится внутри. Используются свинцово-кислотные АКБ с трубчатыми пластинами, которые могут быть опционально за­менены NiCd фронт-терминальными АКБ. Уличный кабинет Outdoor ТЗ FF-1.8 m термоизолированный с системой ох­лаждения 2 форсированных вентилятора + воздушный фильтр (возможен вариант системы с кондиционером и системой freecooling).

Энергосистема, включающая в себя конвертор, выпрями­тель, контроллер, а также резервный генератор с увеличен­ным баком для топлива может обеспечить бесперебойное электропитание достаточно большого по площади загородно­го дома. Альтернативный вариант построения ФЭ системы электропитания предполагает сочетания таких устройств, как инвертор и выпрямитель.

Использование аккумуляторов

Особый вопрос надежности всей системы — аккумулиро­вание энергии, точнее, продление срока службы аккумуля­торов.

Существуют три технологии АКБ для ФЭ электростанций:

• OPzV (гелевые АКБ с трубчатыми пластинами);
• OPzS (классические АКБ с жидким электролитом и труб­чатыми пластинами);
• NiCd (требуют периодического долива кислоты и частого обслуживания).

Для аккумулирования энергии от солнечных батарей или ветрогенераторной установки (ВГУ) не должны использовать­ся стандартные телекоммуникационные резервные АКБ, по­скольку у данных АКБ недостаточное количество циклов раз­ряда/заряда для работы в режиме с ФЭ модулями постоянно.

И одним из важнейших аспектов надежности АКБ явля­ется поддержание комфортной температуры в конкретных ус­ловиях его установки.

Технические решения поддержания комфортной температуры АКБ для продления срока службы

Системы поддержания комфортной температуры АКБ — в зависимости от конкретных задач потребителя электроэнер­гии на объектах могут быть различны, однако наиболее ча­сто встречаются те, что обеспечивают.

• кондиционирование воздуха в контейнерах оборудования;
• системы усиленного воздушного охлаждения;
• уличные (Outdoor) кабинеты со встроенными системами под­держания микроклимата AC/DC Aircondition Free cooling;
• подземные контейнеры для АКБ.

Рассмотрим вариант размещения АКБ в контейнере под землей. Герметичный бункер с вентиляционной трубой, гер­метизированными кабельными вводами и гидравлическим лифтом или механическим цепным подъемником не такое уж редкое практическое решение, как может представиться из­начально. Преимущество решения в том, что температура под землей стабильная, что продлевает срок службы АКБ, а также достигается экономия пространства на земле.

Существует зависимость уменьшения циклов заряда-разряда от температуры эксплуатации АКБ. Сокращение срока службы свинцово-кислотных АКБ и NiCd АКБ в зависимости от температуры эксплуатации показано на рис.10. Зависи­мость максимального числа циклов заряда-разряда NiCd АКБ от глубины разряда и температуры эксплуатации в месте ус­тановки показано на рис.11.

Перспективы автономных систем энергообеспечения на основе ФЭ модулей

По сути, «солнечные генераторы» накапливают энергию в аккумуляторах, а затем отдают ее в нагрузку, нередко оба эти процесса происходят независимо.

Солнечные батареи сохраняют работоспособность в ус­ловиях:

• Температур в диапазоне -50…+75 °С
• Атмосферного давления 84…106,7 кПа
• Относительной влажности до 100%
• Дождя интенсивностью 5 мм/мин

Простейшее устройство для обеспечения электропитания посредством солнечной энергии, состоит из:

• солнечной батареи (солнечных элементов, соединенных в батарею);
• аккумулятора;
• преобразователя (инвертора) тока (из постоянного в пе­ременный).

Таким образом, иметь в загородном доме источник аль­тернативного питания с выходным напряжением 220 В/50 Гц в настоящее время вполне возможно.

Год от года солнечные элементы будут дешеветь, а их по­лезная мощность, на радость потребителю, повышаться. Се­годня солнечные батареи (в быту) массово применяются в качестве зарядных устройств небольшой мощности — для со­товых телефонов и другой бытовой техники.

В ясную погоду на 1 м² земной поверхности в среднем получает 1000 Вт световой энергии солнца. В зависимости от местности участка земли солнечная энергия поступает не­равномерно из-за облачности в пасмурную погоду, есть ме­ста, где солнце светит 320…350 дней в году, а есть такие ме­ста, где солнце очень редко выходит из-за туч. Исходя из этого, необходимо рассчитать эффективность применения си­стемы обеспечения питания в каждом конкретном случае.

В помощь, в табл.1, построенной по данным спутников NASA в 2015 году, приведены сведения о поступлении сол­нечной радиации для некоторых городов России. На широте г. Москвы в течение ясного солнечного дня поступает около 3 кВт/ч солнечной энергии на 1 м². В табл.2 приведены сведения о суммарной солнечной радиации применительно к широте, на которой может находиться ваш дом.

Таблица 1

Справочная таблица среднемесячной суммарной солнечной радиации, кВт ч/м2.
	Янв.	Февр.	Март	Апр.	Май	Июнь	Июль	Авг.	Сент.	Окт.	Нояб.	Дек.	В год	*К
Москва	20,6	53,0	108,4	127,6	166,3	163,0	167,7	145,0	104,6	60,7	34,8	22	1173,7	1
Воронеж	30,7	60,1	117	129	169	166	176	151	120	81,8	50,3	37,1	1245	1,06
Краснодар	42,8	77,8	127	147	178	171	194	172	148	123	81,7	55,6	1433	1,22
Махачкала	48,2	77	128	168	200	190	208	196	161	132	93	77,2	1581	1,35
Рязань	21,2	55	109	130	168	165	169	147	106	62,3	35,2	23	1174	1,01

*К — коэффициент суммарной солнечной радиации по сравнению с г. Москва.

Одним из необычных вариантом применения солнечной батареи может быть принудительный подогрев почвы или во­ды на приусадебном участке (при обеспечении ряда усло­вий по монтажу и мощности нагревательных устройств).

Рекомендации по эксплуатации элементов и модулей солнечных батарей

При покупке элементы проверяются на целостность (ви­зуально трещины на элементах видны далеко не всегда). Исправный элемент должен обеспечивать в яркий, солнеч­ный день, заявленный в паспортных данных ток короткого замыкания. Не бойтесь кратковременно замыкать элементы для проверки его целостности — с ними ничего не случится.

Таблица 2

Параметр	Широта, град
	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90
кВт час/м2	5,9	5,8	5,4	4,9	3,9	3,3	2,6	1,9	1,4	1,3

Если в батарее, составленной из нескольких солнечных элементов, окажется всего один испорченный элемент, ха­рактеристика всей батареи ухудшается. Максимальный ток, который может дать батарея, состоящая из множества эле­ментов, подключенных последовательно, равен максималь­ному току наихудшего элемента в ее цепи;

Оптимальным является использование разъемов в виде гнезд для вывода питания батареи.

Герметизация ФЭ батареи не только защищает ее от вла­ги, но и от засорения элементов пылью. Сильное засорение элементов может значительно снизить КПД всей батареи.

Солнечные элементы весьма хрупки! При самостоятель­ном изготовлении и монтаже батарей следует соблюдать особую осторожность. Монтаж элементов на объекте произво­дится посредством низковольтного паяльника с тонким жа­лом, мощностью не более 25 Вт.

Проследите, чтобы в течение светового дня лицевая по­верхность солнечного модуля не затенялась листвой деревьев или рядом стоящими объектами. Модуль должен быть освещен равномерно по всей площади своей рабочей поверхности. За­тенение хотя бы одного или нескольких элементов солнечного модуля в течение светового дня существенно снизит эффек­тивность выработки энергии.

Затенение не влияет на работоспособность солнечного модуля и не может привести к выходу его из строя. Надо учитывать, что время полной зарядки аккумуляторов при солнечном свете в средних широтах существенно зависит от времени года и емкости аккумуляторов.

Необходимо содержать лицевую панель солнечно­го модуля в чистоте. Рекомендуется протирать лице­вую сторону панели увлажненной тканью хотя бы раз в месяц. Хотя модуль выполнен в герметичном исполнении, необходимо предохранять его от механических по­вреждений, а также от попадания влаги в соединительную коробку. Не допускайте разогрев выше 85°С и контакта мо­дуля с парами вредных химических веществ (кислоты, щело­чи, органические растворители).

Для обеспечения максимальной выработки электроэнер­гии и гарантированной работы солнечного модуля, старай­тесь его ориентировать лицевой поверхностью на юг, с уче­том расчетного угла к горизонту (угол зависит от широты местности), используя специальное крепление солнечного мо­дуля. В этом случае за сутки модуль будет вырабатывать наибольшее количество электроэнергии.

Выводы

Интересно, что в течение первого года эксплуатации солнечные батареи теряют до 1,5% своей первоначальной мощности из-за старения кремния. Если при изготовлении солнечной батареи был допущен брак, то он может «внезап­но» обнаружиться даже через несколько лет после ее пер­воначальной проверки. Именно поэтому не стоит покупать «дешевые» солнечные батареи, потому, что они в результа­те могут оказаться очень дорогостоящими, а также нет смыс­ла покупать их впрок.

Тем не менее, мнений и соображений противников и сто­ронников солнечных батарей очень много, и, пожалуй, един­ственное, в чем все противоборствующие стороны солидар­ны, так это в том, что использование солнечной энергии как альтернативного источника питания различных устройств весь­ма оправдано и очень перспективно.

Большинство солнечных элементов в солнечных модулях сделаны из дорогостоящего кремния. Как следствие сегодня еще довольно высока стоимость производства электроэнергии, получаемых с помощью солнечных батарей. Однако предпо­лагается, что уже через 15…20 лет электроэнергия, получен­ная от Солнца, будут продаваться по цене на 50% дешевле электроэнергии получаемой при помощи угля, природного га­за и даже ядерного топлива. Соответственно, рынок производ­ства, услуг монтажа и обслуживания (ремонта) и эксплуата­ции солнечных батарей имеет очень большие перспективы.

Автор: Андрей Кашкаров, г. Санкт Петербург
Источник: журнал Электрик №4/2016