Солнечная батарея

Фабиан Картхаус  пять лет назад перенял фермерское хозяйство от своего отца. Первые солнечные батареи появились на амбаре, когда Фабиан еще был подростком. Сегодня немецкий фермер из Падерборна вовсю использует солнечную энергию - не только для производства электричества, но и для выращивания черники и малины.

Прокормить семью только за счет урожая с 80 гектаров будет сложно, понял 33-летний фермер. Аномальная жара и засуха в последние годы уже приводили к серьезным потерям урожая. Поэтому Фабиан с женой решили воспользоваться технологией двойного использования земель, когда солнечные электростанции располагают над полем.

Тень от солнечных батарей позволяет сохранить влажность. Как отмечает немецкий фермер, испарение влаги на таких участках составляет примерно четверть от объемов в открытом поле. Пока площадь "солнечных плантаций" - примерно 0,4 гектара, но Фабиан хочет увеличить ее до 10 гектаров. Правда, реализовать этот план пока не так просто: на пути фермеров в Германии стоят бюрократические барьеры.

Солнечные батареи помогают не только увеличить объемы урожая, но и накопить электроэнергию, которую Фабиан использует в своем же хозяйстве, а также продает. Весь комплекс солнечных батарей на ферме вырабатывает в год примерно 640 тысяч киловатт-часов, что хватило бы на 160 домашних хозяйства. За киловатт-час Фабиан получает примерно 6 евро-центов.

А эта плантация расположена в северных провинциях Китая. Площадь - примерно 10 гектаров. Выращивают тут в основном злаковые культуры. А сами панели и другие комплектующие производят по соседству.

Солнечные батареи в сельском хозяйстве устанавливают и таким образом - вертикально. Это экономит место, а по эффективности сбора электроэнергии не уступает горизонтальным установкам. При таком расположении панелей в поле может работать и тяжелая техника.

Автор: Геро Рютер, Марина Борисова

https://www.dw.com/ru/solnechnaya-energetika-na-poljah-ferme...

Зачем использовать в 2021-ом обычный кровельный материал, а потом думать о том, что солнечные батареи не окупаются если их разместить на готовую крышу, когда солнечные панели и должны быть кровельным материалом?
На этом этапе, на обычный кровельный материал, вы уже потратили как минимум 30-50тыр зря. Что естественно не добавляет никакой окупаемости для солнечных батарей.

Цены на солнечные панели снижались много лет подряд и сейчас цена по тонкопленочной технологии достигла 3200р. за квадрат. Это только в 4 раза дороже обычного кровельного материала за 800 рублей квадрат. При этом, на рынке России присутствует итальянская черепица за 5000р. квадрат.

То есть, можно достичь мгновенной окупаемости, если решить вместо итальянской черепицы использовать солнечные панели)

Далее я просто добавил к солнечной панели "крылышки" для герметичной стыковки и накидал такой черновик:

За основу взят один из типичных для России формат мансарды.

Просто добавлены панельки.

Здесь на южной стороне, получается 36м2 солнечных панелей с общей мощностью 3кВт и с затратами в каких-то 115т.р!
На другую сторону(северную), одна немецкая фирма(о которой будет ниже), предлагает ставить фальш-панели без солнечных элементов, ну думаю и обычный кровельный материал подойдет приблизительно в цвет.

Из 115 000р. надо вычесть стоимость 28800р. и переплата за солнечные панели  получается всего 86200р! Это все равно что скидка на панели в 25%! (А за такой маленький объем скидки никто не даст. Но если это поселок на сотню коттеджей, то можно получить оптовую скидку в 20% (Итоговая экономия может выйти и в 45%!)) На экономию в 25% можно как раз купить сетевой инвертор.

Теперь об окупаемости. Расчеты приблизительные, но в них заложены -25% на различные потери. Данные по инсоляции взяты с этого ресурса globalsolaratlas.info
(ВНИМАНИЕ: в данной схеме не используются никакие аккумуляторы)

Окупаемость для Тюмени -

18 лет окупаемость и 5.5% годовых,
это если на готовую крышу ставить панельки и без оптовой скидки.
Если сразу делать нормально, как по схеме выше, то получается -

15 лет окупаемость и рентабельность 6.7% годовых.
Если еще каким-то образом получится обеспечить скидку в 20% на панели, (либо цена сама снизится на столько за 2 года), то  получается -

12 лет окупаемость и рентабельность 8.2 годовых.

Но это только при самостоятельном монтаже. Если у вас в семье нет электрика, то потребуется заказать еще и профессиональный монтаж системы, а это например 2000р. за квадрат = 72 000 рублей, что существенно ухудшает экономические показатели

1 вариант: окупаемость 26 лет 3.8% годовых)

2 вариант: окупаемость 22 лет 4.4% годовых)

3 вариант: окупаемость 20 лет 5% годовых)

Разницы существенные...
Цифры не очень красивые получаются, при цене 3 рубля за кВт*ч для физиков.

Но на Тюмени солнечный свет клином не сошелся и лучше посмотреть что там выйдет в Сочи, при их 6 рублей за кВт*ч.

Если в Сочи на готовую крышу коттеджа ставить панели, то окупаемость получается -

8 лет с рентабельностью  12.5% годовых.
Нормальный вариант получает -

7 лет окупаемости и 14.3% годовых рентабельности. 
При дополнительной скидке на панели в 20% получается -

6 лет окупаемость и 16.3% годовых. 

И это включая стоимость монтажа - 72000р!

А сочинский электрик, который сам может все смонтировать на свой дом, может достичь окупаемости за -

5.5 лет с рентабельностью 18.5% годовых!

А те электрики, кто только проектируют свой дом могут достичь окупаемости солнечных панелей за -

4 года с рентабельностью в 23% годовых!

А если еще получить скидку 20%, то будет -

3.5 года окупаемость и рентабельность 28% годовых!

Скидку для электриков могли бы предоставить российские производители солнечных батарей за онлайн-сертификацию раз в год, например.

Кроме выработки электричества, которое кстати говоря выходит: для Тюмени - 2840 кВт*ч в год, а для Сочи - 4600 кВт*ч в год, можно получать и тепловую энергию.

Одна фирма из Германии предлагает такую схему:

Панели нагреваются на солнце и нагревают воздух под ними. Горячий воздух поднимается вверх и может быть использован через теплообменник для отопления дома, например для подогрева входящего вентиляционного воздуха. При этом солнечные панели охлаждаются, а это в свою очередь повышает выработку электричества. Вряд ли, от такой схемы, можно ожидать высокий КПД по теплу как у солнечных коллекторов (до 80% от 1000 ватт). Но даже 100 ватт с квадрата, как в нашем случае в сумме выдают мощность 3.5 кВт.

Такой мультифункциональный, системный подход позволяет ускорить окупаемость и сократить отопительный сезон на 2 месяца в средней полосе.

Сделать формат солнечной черепицы можно очень просто, и это сразу значительно улучшит все экологические и экономические показатели, но почему-то российские производители солнечных панелей тормозят и этого не делают.

UPD:
Так как у тонкопленочной технологии не очень понятен срок службы, я решил пересчитать все на Гетероструктурные панели у которых  более надежный срок службы 30 лет и более и мощность в 2.5 раза выше, при цене в 2.8 раз выше.

Окупаемость для Тюмени  -
Самостоятельная установка на готовую крышу без оптовой скидки

21.5 лет окупаемость - рентабельность 4.6% годовых

Самостоятельная установка в правильно спроектированную крышу без оптовой скидки -

20 лет окупаемость - рентабельность 5% годовых.

Самостоятельная установка в правильно спроектированную крышу с оптовой скидкой -

16 лет окупаемость - рентабельность 6% годовых.

Заказ установки(72 000р.) на готовую крышу без оптовой скидки

25 лет окупаемость - рентабельность 4% годовых
Заказ установки в правильно спроектированную крышу без оптовой скидки -

23 года окупаемость - рентабельность 4.3% годовых.

Заказ установки в правильно спроектированную крышу с оптовой скидкой -

20 лет окупаемость - рентабельность 5% годовых.

Окупаемость для Сочи  -

Самостоятельная установка на готовую крышу без оптовой скидки

6 лет окупаемость - рентабельность 16.3% годовых

Самостоятельная установка в правильно спроектированную крышу без оптовой скидки -

5.5 лет окупаемость - рентабельность 17.7% годовых.

Самостоятельная установка в правильно спроектированную крышу с оптовой скидкой -

4.5 лет окупаемость - рентабельность 21.4% годовых.

Заказ установки(72 000р.) на готовую крышу без оптовой скидки

7 лет окупаемость - рентабельность 14% годовых

Заказ установки в правильно спроектированную крышу без оптовой скидки -

6.5 лет окупаемость - рентабельность 15% годовых.

Заказ установки в правильно спроектированную крышу с оптовой скидкой -

5.5 лет окупаемость - рентабельность 17.8% годовых.

Получается что, солнечная энергетика вполне выгодна для установки на крышу в Сочи, если есть куда потратить 11 000 кВт*ч в год.

Когда-то фотоэлементы использовались почти исключительно в космосе, например, в качестве основного источника энергии спутников. С тех пор солнечные батареи все больше входят в нашу жизнь: ими покрывают крыши домов и машин, используют в наручных часах и даже в темных очках.

Но как же функционируют солнечные батареи? Каким образом удается преобразовывать энергию солнечных лучей в электричество?

Основные принципы

Солнечные панели состоят из фотоэлектрических ячеек, запакованных в общую рамку. Каждая из них сделана из полупроводникового материала, например, кремния, который чаще всего используется в солнечных батареях.

Когда лучи падают на полупроводник, тот нагревается, частично поглощая их энергию. Приток энергии высвобождает электроны внутри полупроводника. К фотоэлементу прилагается электрическое поле, которое направляет свободные электроны, заставляя их двигаться в определенном направлении. Этот поток электронов и образует электрический ток.

Если приложить металлические контакты к верху и к низу фотоэлемента, можно направить полученный ток по проводам и использовать его для работы различных устройств. Сила тока вместе с напряжением ячейки определяют мощность электроэнергии, производимой фотоэлементом.

Панель солнечной батареи / ©depositphotos.com

Кремниевые полупроводники

Рассмотрим процесс высвобождения электронов на примере кремния. Атом кремния имеет 14 электронов в трех оболочках. Первые две оболочки полностью заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Третья же оболочка наполовину пуста – в ней всего 4 электрона.

Благодаря этому кремний имеет кристаллическую форму; пытаясь заполнить пустоты в третьей оболочке, атомы кремния пытаются «делиться» электронами с соседями. Однако кристалл кремния в чистом виде – плохой проводник, поскольку практически все его электроны крепко сидят в кристаллической решетке.

Поэтому в солнечных батареях используют не чистый кремний, а кристаллы с небольшими примесями, т. е. в кремний вводятся атомы других веществ. На миллион атомов кремния приходится всего один атом, например, атом фосфора.

У фосфора пять электронов во внешней оболочке. Четыре из них образуют кристаллические связи с близлежащими атомами кремния, однако пятый электрон фактически остается «висеть» в пространстве, без всяких связей с соседними атомами.

Когда на кремний попадают солнечные лучи, его электроны получают дополнительную энергию, которой оказывается достаточно, чтобы оторвать их от соответствующих атомов. В результате на их месте остаются «дырки». Освободившиеся же электроны блуждают по кристаллической решетке как носители электрического тока. Встретив очередную «дырку», они заполняют ее.

Однако в чистом кремнии таких свободных электронов слишком мало из-за крепких связей атомов в кристаллической решетке. Совсем другое дело – кремний с примесью фосфора. Для высвобождения несвязанных электронов в атомах фосфора требуется приложить значительно меньшее количество энергии.

Большая часть таких электронов становится свободными носителями, которые можно эффективно направлять и использовать для получения электричества. Процесс добавления примесей для улучшения химических и физических свойств вещества называется легированием.

Кремний, легированный атомами фосфора, становится электронным полупроводником n-типа (от слова «negative», из-за отрицательного заряда электронов).

Кремний также легируют бором, у которого всего три электрона во внешней оболочке. В результате получается полупроводник p-типа (от «positive»), в котором возникают свободные положительно заряженные «дырки».

Устройство солнечной батареи

Что же произойдет, если соединить полупроводник n-типа с полупроводником p-типа? В первом из них образовалось множество свободных электронов, а во втором – много дырок. Электроны стремятся как можно быстрее заполнить дырки, но если это произойдет, оба полупроводника станут электрически нейтральными.

Вместо этого при проникновении свободных электронов в полупроводник p-типа, область на стыке обоих веществ заряжается, образуя барьер, перейти который не так просто. На границе p-n перехода возникает электрическое поле.

Энергии каждого фотона солнечного света хватает обычно на высвобождение одного электрона, а значит и на образование одной лишней дырки. Если это происходит вблизи p-n перехода, электрическое поле посылает свободный электрон на n-сторону, а дырку – на p-сторону.

Таким образом, равновесие нарушается еще больше, и если приложить к системе внешнее электрическое поле, свободные электроны потекут на p-сторону, чтобы заполнить дырки, создавая электрический ток.

К сожалению, кремний довольно хорошо отражает свет, а значит, значительная часть фотонов пропадает втуне. Чтобы уменьшить потери, фотоэлементы покрывают антибликовым покрытием. Наконец, чтобы защитить солнечную батарею от дождя и ветра, ее также принято покрывать стеклом.

Самое большое в мире судно на солнечных батареях PlanetSolar / ©PlanetSolar/ Philip Plisson

Коэффициент полезного действия современных солнечных батарей не слишком высок. Большинство из них эффективно перерабатывают от 12 до 18 процентов попадающего на них солнечного света. Лучшие образцы перешли 40-процентный барьер КПД.

Источник: Naked Science

Читайте также:

– 5 простых способов продлить себе жизнь;

– Пищевые добавки: хорошие, плохие, непреднамеренные;

– Первый человек в космосе: «обыкновенный»… на самом деле, нет.

Сотрудники Самарского университета имени Королева получили хорошую новость из космоса. Пять лет назад они поставили амбициозную задачу - создать космические солнечные батареи из доступных в России материалов, при этом дешевле, чем зарубежные аналоги. В итоге солнечные батареи из пористого кремния отлично себя зарекомендовали. Теперь новую технологию можно использовать, например, для зарядных устройств.

Этот научный эксперимент принес космические результаты. А ведь еще несколько назад лет коллеги твердили: ничего у вас не получится, и ваши экспериментальные солнечные батареи на орбите рассыплются в прах.

Наталья Латухина, доцент кафедры физики твердого тела Самарского государственного университета: "Да вы что! После первого же оборота вокруг Земли, когда Солнце переходит в тень, температура меняется от минус 100 до плюс 180, у вас все ваши кораллы разлетятся. Оказалось, нет".

Спутник "Аист 2Д" для дистанционного зондирования Земли вывели на орбиту с космодрома Восточный пять лет назад. На его борту вместе с традиционными солнечными батареями были и инновационные. Их отличие - в самом материале. Традиционно в космической энергетике используется германий, производство которого токсично и дорогостояще. При этом подходящий для космоса германий в России вообще не добывается. В батареях инновационных придумали использовать пористый кремний. Вышло в пять раз дешевле.

Дарья Шишкина, старший преподаватель кафедры инженерии Самарского государственного университета: "Впервые был запущен материал, который в принципе предназначен для наземной солнечной энергетики".

В космосе мелочей не бывает: важен каждый грамм веса и каждый киловатт электричества. Для лучшего результата на поверхности экспериментальных батарей ученые создали равномерный рельефный слой - по специальной методике. Кремний стал как губка в прямом и переносном смысле. Впитывает больше лучей, а значит дает больше энергии.

Галина Рогожина, доцент кафедры физики Самарского государственного университета: "Чем больше толщина поры, тем больше коэффициент полезного действия. Тем больше энергии мы можем собрать с нашего солнечного элемента".

Теперь уже доказано, что использовать свойства пористого кремния можно и в космосе, и на Земле - в электромобилях, беспилотниках, да и просто в быту, хотя бы в зарядных устройствах для гаджетов. На очереди следующий эксперимент: а что если снять защитные стекла и сделать батареи легче, сэкономив полезные граммы. Но чтобы получить новые космические результаты опять придется несколько лет потеть в научных лабораториях.

С кремниевыми батареями получилось все наоборот. Вначале они были испытаны в космосе и только теперь на Земле. После пяти лет на орбите полезные свойства кремния будут изучать на наземной станции "Памир" в Таджикистане.

http://www.ntv.ru/novosti/2531089/

В 2008м с товарищем приобрели дом в предгорьях. Всё хорошо, но сеть оставляла (и оставляет) желать лучшего. Очень частые отключения из-за ветхой ЛЭП, перекос фаз от 160 до 270 вольт. Как непогода - света нет сутками, пока где-то на склонах гор не найдут и не починят ЛЭП. На первое время был куплен бензогенератор, который реально спасал. В конечном счёте, была куплена и смонтирована небольшая солнечная электростанция. Параметры: 1КВт панелей (позже +500 Вт), инвертор на 2,5 КВт, 800 А*ч х 12 В AGM аккумуляторы. Главный компонент - солнечные панели. Подробнее о мифах и предрассудках.

Они нуждаются в обслуживании. Нет. С 2008 года на крышу я залазил ровно один раз - добавить ещё две панели. Летняя пыль смывается при каждом дожде. А снег долго не лежит на них - при первых же лучах солнца он съезжает вниз, остаток на тёмных панелях тает даже при минусе. Мы ж не в Сибири живём.

Они вырабатывают крайне мало, занимают много места. Наш киловатт панелей занял мизерную часть крыши сарая. На средний дом легко поставить десяток киловатт. Если надо.

Зимой не работают. Зимой солнце ниже над горизонтом. Поэтому панели стоит ставить ближе к вертикали, если рассчитываете на зимнюю генерацию. Да, даже на юге реальная среднесуточная вырабатываемая мощность зимой будет раза в 3-4 ниже летней. Но что-то будет всё равно.

Выработка через пару лет падает и они становятся мусором. Нет. 12 лет стоят первые 4 панели. Зарядник MPPT считает киловатты отданные панелями, а я записываю. За 12 лет никакой заметной потери мощности не было! Производитель обещает 25 лет срок службы. И после этого они продолжат отдавать не менее 80% от номинала. Похоже, что это близко к правде.

Они улетят при первом же ветре, их размолотит градом. За 12 лет был град, который разбивал шифер, а на алюминиевом оставлял вмятины (если интересно, скину фото). И ураганы, ломавшие деревья. Панели целы и невредимы.

Что можно запитать от такой станции. У нас это 20-25 лампочек, горящих весь вечер (уличное освещение и внутри дома. Светодиоды 9 Вт. Три циркуляционных насоса, холодильник, роутер, телевизор, комп, ну и по мелочи. Мощные потребители (электрочайник, сварочник, стиралка, электрический теплый пол, электроинструмент, утюг) - питаются от сети. В доме двойная проводка и отдельные маркированные розетки. При этом, если пропала сеть, то можно с умом работать и тяжелыми потребителями, инвертор позволяет. Нет, бойлер высосет всю энергию из аккумуляторов за час. Летним днём - можно легко.

Экономика

Солнечные панели с 2008 года подешевели и продолжают дешеветь. Тогда 4шт по 250 Вт стоили около 100 т.р. или 3400$. Сейчас в той же фирме такие панели стоят 32 т.р. или 450$. В восемь раз в долларах подешевели! При этом электроэнергия с 2008 года выросла в два с лишнем раза, сейчас выше 5 р за КВт*ч. Дураку понятно, что эти тенденции однажды приведут к тому, что электричество с панелей будет дешевле сетевого. И этот момент уже настал. Один киловатт панелей у нас на юге в год выдаёт около 2000 КВт*ч электроэнергии. Это по тарифу - 10 т.р. окупаемость - чуть больше трёх лет. Срок службы - свыше 25 лет!

Но не всё так гладко. Нельзя просто так взять и подключить панели к розеткам. Нужен инвертор соответствующий мощности потребителей и панелей. В 2008 такой вышел почти 100 т.р. Сейчас похожий - 30 т.р. Но и это ещё не всё.

Аккумуляторы. Электричество нам нужно не только днём, но и ночью. Поэтому надо запасать его в аккумуляторах. Несмотря на весь прогресс, пока самым дешевым способом сохранения энергии в быту являются свинцовые аккумуляторы. Чтобы гарантированно переночевать надо запасти 3-4 КВт*ч электроэнергии. Это четыре 200А * 12 Вольт аккумулятора. Типа Камазовских. Стоят они 40 т.р. и служат года 3-4. Есть необслуживаемые гелевые, специально для автономных систем. Но они стоят почти сотку, а служат 10 лет. То на то по деньгам и выходит.

Так вот, если даже Вам электроэнергию в аккумуляторы ночью благотворители бесплатно в вёдрах носят, то только аммортизация Ваших аккумуляторов выйдет в 7-8-9 рублей за один киловатт*час.

То есть если Вы запасаете энергию в аккумуляторы, то Ваша система никогда не окупится в сравнении с потреблением из сети.

Ну и нахера тогда это всё?

- Не везде вообще есть физическая возможность подключиться к сети

- Где-то, как в нашем случае, сеть очень дерьмового качества и можно днями сидеть без электричества. Альтернатива - вонь и шум от ещё менее экономичного бензогенератора. С солнечной электростанцией ты об отключение узнаёшь только от соседий с фонариками, ищущих где б телефон зарядить.

- Есть уверенность, что электроэнергия будет дорожать. Здоровье с годами, увы не всегда укрепляется. А с пенсией всех нас кинут, если вы не депутат, да ещё и дожить надо. А вот вложения в автономность дома (электричество, своя скважина, автономное отопление, утепление, септик, сад) - это своего рода инвестиция в своё будущее, в котором, возможно, придётся на 8 т.р. выживать.

- Блэкауты и прочие заварушки никто не отменял. Как один чувак говорил, вы покупаете свою независимость. Это может быть дорого.

- Ну и просто - пробник технологий.

И не могу не сказать, что экономика начинает “биться”, если использовать сеть вместо аккумуляторов. Днём вы отдаёте энергию (счётчик крутится обратно), ночью - забираете. В конце месяца либо Вы доплачиваете энергосбыту, либо он Вам. В России пока это развито слабо ввиду бюрократизма. Хотя даже на Украине это работает уже десятилетия. В этом случае, даже безо всяких льготных тарифов это уже сегодня окупаемо в течение 5-8 лет.

Сейчас в России, здесь на Кавказе, строятся большие электростанции на солнечных панелях. Строятся за частные деньги. Например Лабинская СЭС.

Не убедил - панели зло, отмыв бабла, ко-ко-ко, давайте лучше Росатом, который должен был бороться со злом, но примкнул к нему. Вы будете смеяться, но именно Росатом строит два крупнейших в России парка ветрогенераторов. Один готов уже в Адыгее, другой на Ставрополье в процессе. И ещё куча на начальных этапах.

Альтернативная энергетика это будущее для мелких потребителей, особенно в ебенях. А когда изобретут радикально другие аккумуляторы (или просто ещё 10-15 лет поработают над существующими) мы проснёмся в другом мире. Да и у солнечных панелей есть куда расти, ведь КПД у них менее 20% от теоретически возможного.