Солнечные электростанции: какие они бывают, как устроены и принцип их работы

Количество СЭС по всему миру увеличивается примерно на 20% в год. Еще быстрее растет их общая производительность и популярность среди бизнесменов и населения. Чтобы понять, почему солнечная электростанция становится серьезным конкурентом ископаемым видам топлива, необходимо начать с того, что это за комплекс, как он работает и насколько выгоден в эксплуатации. Наша статья посвящена подробному разбору этих вопросов.

Что такое солнечная электростанция

Любая СЭС представляет собой специализированный комплекс оборудования, способный улавливать электромагнитное излучение солнца и преобразовывать его в тепловую или электрическую энергию.

Для этого использовались разные технологии, которые с годами совершенствовались.

Наиболее ранний известный метод позволял получать энергию за счет перепада температур в герметичной прозрачной башне. Его использовали на французских фермах еще в 19 столетии.

Следующим технологическим решением стала система зеркал, размещаемых концентрическими кругами вокруг высокой центральной башни, на которой устанавливался бак с теплоносителем. Фокусировка лучей от каждого зеркала нагревала бак до температур от 500 до 700°C. Теплоноситель превращался в перегретый пар, передающийся на лопатки турбин. К сожалению, эффективные установки подобного рода требовали огромных площадей, а небольшие домашние солнечные электростанции смонтировать таким путем было невозможно.

Гораздо более прогрессивными и перспективными являются современные СЭС на базе фотоэлектрических солнечных панелей. Теоретическая эффективность таких установок может достигать 80%, а их размеры могут колебаться от миниатюрной батареи на поясе до огромных ферм, занимающих сотни квадратных километров.

В связи с этим далее мы будем рассматривать только станции, генерирующие энергию с помощью фотоэлектрических батарей.

Как устроена солнечная электростанция

Основными элементами СЭС являются:

Гелио модули (солнечные батареи)

Каждый из них представляет собой набор полупроводниковых ячеек, уложенных рядами на прочное основание. Сверху модуль закрывает особо прочное прозрачное стекло, а передача тока осуществляется через токопроводящие полоски.

В большинстве случаев торцы панели защищает алюминиевая рама, однако существуют модели, созданные по безрамной технологии. В крупных солнечных электростанциях модули могут объединяться в группы, соединяясь одним из трех способов:

• последовательным;
• параллельным;
• смешанным.

Благодаря такому решению можно получать на выходе любые, наперед заданные, силу тока и его напряжение.

Количество фотоэлектрических ячеек в одной панели солнечной электростанции для дома обычно составляет несколько десятков, хотя существуют варианты и с сотнями элементов. Сами ячейки создаются по различным технологиям, связанными с особенностями полупроводниковых материалов. Наиболее распространенными из них являются:

1.  Монокристаллический кремний Mono-Si. Панели на его основе идеальны для южных скатов крыш и земельных участков, где есть возможность направить рабочие поверхности батарей строго на солнце. Максимальный КПД таких панелей 22-24%, но при отклонении условий освещения от идеала быстро снижается.

2.  Поликристаллический кремний Poli-Si. Используется в местах с умеренным уровнем солнечной инсоляции. Его несколько меньшая эффективность, чем у монокристаллов (16-20%), компенсируется среднегодовым ростом производительности за счет не столь значительного падения КПД при воздействии неблагоприятных факторов.

3.  Теллурид кадмия CdTe. Редкоземельный композит, позволяющий создавать гибкие тонкопленочные, а не жесткие батареи. Еще менее чувствителен к углам наклона, облачности, рассеянному свету и перепадам температур.

4.  Дорогостоящие редкоземельные элементы – галлий, германий, индий. Применяются преимущественно в модулях, где вопрос, сколько энергии вырабатывает солнечная электростанция, более важен, чем ее стоимость. Основными покупателями панелей данного типа являются компании, работающие в аэрокосмической промышленности.

Инверторы

Второй по важности элемент любой солнечной электростанции – устройство, называемое инвертором. Его присутствие в схеме необходимо, поскольку батареи вырабатывают постоянный ток, а в электросетях используется переменный. Именно эту задачу и выполняет инверторный преобразователь.

В зависимости от того, как будет работать солнечная электростанция – автономно, в тандеме с сетью или смешанно, приобретается инвертор соответствующего типа. Подключение прибора осуществляется с точным соблюдением полярности между группой генерирующих ток модулей с одной стороны и всеми прочими элементами системы – с другой.

При выборе инвертора ориентируются на следующие важные характеристики:

величина входного напряжения;

• максимальная и номинальная мощность;
• потребление без нагрузки;
• форма тока на выходе (идеальной считается чистая синусоида);
• масса устройства;
• наличие вентилятора и его функциональность;
• набор механизмов защиты;
• КПД;
• наличие режима ожидания;
• рабочий диапазон температур.

Контроллеры заряда

Требуются только в промышленных или домашних солнечных электростанциях, использующих аккумуляторные батареи для накопления заряда. На рынке имеется широкий выбор контроллеров, значительно отличающихся функциональными возможностями, качеством и долговечностью.

Наиболее распространены:

• широтно-импульсные PWM (Pulse-Width Modulation), достаточно качественно модулирующие ток и заряжающие АКБ на 100%;
• интеллектуальные MPPT (Maximum power point tracking for low power photovoltaic solar panels) – более дорогие, но окупающиеся на крупных станциях за счет на 30-35% большей эффективности;
• гибридные – в основном использующиеся на станциях, где в едином тандеме работает солнечная СЭМ и ветровая ВЭС.

Выбор контроллера зависит преимущественно от общей мощности, производительности и стоимости электростанции.

АКБ – аккумуляторные батареи

Любая солнечная электростанция для дома или дачи, работа которой планируется в круглосуточном режиме, имеет в своем составе аккумуляторные батареи. При наличии солнца в них накапливается избыток генерации. При его отсутствии сохраненная в АКБ энергия отдается обратно в сеть.

В зависимости от потребностей и финансовых возможностей владельца, для станции выбирается один из следующих типов аккумуляторов:

	AGM, свинцово-кислотные	GEL, на основе геля	Li-On – на базе оксидов лития
Срок службы, лет	5-10	15-20	10-20
Заряд/разряд, 100%	200	150	6 500
Заряд/разряд, 50%	350	550	23 000
Заряд/разряд, 30%	800	1 200	50 000
Диапазон температур, °C	+15 / +25°	+10 / +35°	– 30 /+60°
Экологическая безопасность	низкая	средняя	высокая

Кроме того, у литиевых АКБ в 5 раз ниже удельный вес на единицу плотности энергии

Периферия

Основные элементы солнечной электростанции не могут быть объединены в единую систему без периферии. На вопрос, что это такое, обычно называют соединительные кабели с разъемами MC4, а также крепежные конструкции для СЭС всех видов.

Общим требованием к периферийным материалам является их надежность, долговечность и устойчивость к неблагоприятным погодным условиям.

Иногда в эту же категорию записывают различные электронные блоки и платы – комплектующие к различному оборудованию солнечных электростанций, подлежащие замене при необходимости.

Как работает солнечная электростанция

Функционирование таких систем основано на принципе фотоэлектрического эффекта. Заключается он в следующем:

• поток фотонов падает на поверхности солнечных панелей;
• свет определенной длины волны – в основном видимое и отчасти УФ и ИК излучение – поглощается слоем кремния или редкоземельных материалов;
• в рабочем слое ячеек возникает так называемая p/n-проводимость, в результате которой фотоны выбивают из атомов полупроводника свободные электроны;
• их поток представляет собой постоянный электрический ток, который по токопроводящим дорожкам направляется в инвертор;
• оттуда к потребляющим устройствам и АКБ направляется переменный ток напряжением 220V, использующийся с различными целями.

В автономных солнечных электростанциях вся сгенерированная энергия остается в системе. Часть ее идет на потребление, питая разнообразные электроприборы, светильники и прочее электрическое оборудование. Другая часть накапливается в АКБ, чтобы поддерживать потребление на том же уровне в ночное время суток и при пасмурной погоде. Сколько будет стоить такая солнечная электростанция, зависит от потребностей владельцев. Для загородного дома оптимальной будет СЭС на 10-20 кВт. На временно посещаемой даче может оказаться достаточно и 3-5 кВт.

Задача сетевых вариантов СЭС несколько иная. Как работает сетевая солнечная электростанция? Она подключена к централизованным электросетям, а ее схема содержит мульти тарифный счетчик. Это позволяет как получать часть недостающей энергии из сети, так и продавать излишки генерации государству по зафиксированным законодательством «зеленым тарифам». Поскольку последние в Украине достаточно высоки, владельцы таких СЭС стремятся установить максимально возможные мощности, приносящие высокую прибыль. АКБ в подобных системах не предусмотрены.

Гибридный тип солнечных электростанций объединяет в себе возможности первого и второго класса СЭС. Такие установки могут работать автономно либо в режиме получения/отдачи электроэнергии из внешних сетей. Для них удельная цена киловатта мощности максимальна, поскольку конструкция должна включать все основные элементы, необходимые для первых и вторых разновидностей станций.

Сколько стоит солнечная электростанция

Основным фактором, влияющим на стоимость СЭС, является ее будущая совокупная мощность. С учетом расходов на установку, пуско-наладку и оформление документов она колеблется в пределах $0,8-1,0 за 1 кВт. Плавающий диапазон цен образуется за счет второстепенных факторов – «брендовости» и качества оборудования и сложности монтажных работ.

Наиболее дешевым вариантом считается покупка б/у обрудования из Европы. Недостаток такого приобретения очевиден, и связан с невозможностью объективной оценки реальной эффективности станции и оставшийся срок службы панелей.

Вторым по уровню затрат является приобретение бюджетных комплектующих от малоизвестных китайских фирм. Их оборудование на 20-30% дешевле батарей, инверторов, аккумуляторов и периферии от компаний из всемирно известного рейтинга TIER-1 Bloomberg, но уступает качеством и долговечностью.

Поэтому перед покупкой специалисты советуют рассматривать только третий вариант и строить расчет на том, сколько будет стоить солнечная электростанция для дома от проверенных производителей.

Приведем несколько наиболее востребованных примеров.

1. Сколько стоит солнечная электростанция на 5 кВт

 Ориентировочно вам понадобится приобрести следующий комплект для наиболее дешевой сетевой СЭС:

Комплектующие	К-во	Цена, $
Панели 250-275 Вт	18-20	1800-2200
Инвертор на 5 kW	1	700-900
Электроника и периферия		700
Итого:		~ 3500

 С учетом расходов на сдачу «под ключ», куда войдет оформление «зеленого тарифа» и мульти тарифный счетчик с АСКУЭ, общая сумма составит примерно $ 4800.

 Автономная станция обойдется немного дороже, поскольку потребует включения в список качественных АКБ, но исключение из него счетчика и оформления разрешений на «зеленый тариф».

2. Сколько будет стоить солнечная электростанция на 10 кВт

Принцип расчета здесь почти аналогичен. Вам потребуется приобрести:

Комплектующие	Количество	Стоимость, $
Панели 250-275 Вт	36-40	4000
Инвертор на 10 kW	1	1400
Электроника и периферия		1300
Мульти тарифный счетчик + установка		1400
Итого:		~ 9100

3. Сколько стоит солнечная электростанция на 30 кВт

 Никаких принципиальных изменений при определении общей стоимости такой, второе более мощной СЭС, делать не нужно. Однако необходимо принять во внимание следующее соображение.

 Для такой станции потребуется более 100 батарей на 250-275 ватт, или около 200 кв. метров свободного пространства. Замена на более производительные 300-400 ваттные панели несколько сэкономит место, но южных скатов крыши даже большого дома может оказаться недостаточно. Поэтому необходимо будет рассмотреть вариант с установкой на земле. Но площадь свободного участка придется увеличить почти вдвое, чтобы не допустить падения тени от одних наклонно установленных модулей на другие, соседние.

 Если это не проблема, понадобится выделить на покупку около $25-26 тыс., или почти 700 тыс. гривен.

 Впрочем, окупаемость такой СЭС не превысит 5 лет, а далее начнет приносить постоянный доход более $4000 ежегодно.

Сколько вырабатывает солнечная электростанция

Для примера рассмотрим вариант СЭС мощностью 5 киловатт, а далее проведем простое умножение полученных результатов для станций на 10, 20 и 30 кВт соответственно.

5 кВт

Солнечная электростанция указанной мощности сможет выработать за год:

• в среднем 6-6,5 МВт*ч в год;
• минимум 160 кВт*ч зимними месяцами;
• максимум 750 кВт*ч в летний период.

С помощью специальных online-калькуляторов для СЭС легко подчитать, что за минусом потребления энергии самим оборудованием и согласно действующих «зеленых тарифов» срок окупаемости составит 8,5 года. Все последующие годы вы будете получать от 500 до 600 долларов чистой прибыли.

Важно! При расчете следует учитывать поправку на уровень солнечной инсоляции места установки для каждого региона Украины.

Таким образом, даже сравнительно маломощная 5-киловаттная домашняя солнечная электростанция вполне может использоваться как бизнес.

Для сетевых СЭС на 10, 20 или 30 киловатт все приведенные выше цифры понадобится просто умножить на 2, 4 и 6 соответственно.

Устанавливайте солнечные электростанции и пользуйтесь всеми преимуществами чистой энергии!