Солнечные батареи северные широты

Солнечные модули в Арктике признаны эффективным решением

Использование солнечных батарей в Арктике более эффективно

Применение полупроводников позволило создать особый вид устройств, преобразующих излучения в электрический ток. Наибольшее распространение получили солнечные панели. КПД подобных приборов зависит от температуры окружающей среды. Поэтому в Арктике, где ртуть термометра не поднимается выше нулевой отметки, солнечные панели – эффективные источники электричества. В полярных регионах количество энергии солнечного излучения, приходящейся на единицу площади, меньше, чем в средних широтах, но поглощается она более полно.

Такое заключение было сделано после серии исследований, проведенных бельгийскими специалистами. Использование новых технологий позволяет удешевить изготовление солнечных панелей. Поэтому следует ожидать, что их производство будет увеличиваться с каждым годом. Это даст возможность сократить потребление углеводородного топлива, запасы которого катастрофически сокращаются, и уменьшить выбросы в атмосферу продуктов сгорания.

Каждая панель включает в себя большое количество кремниевых ячеек. В основе их принципа действия положено явление фотоэлектрического эффекта. Сырьем для изготовления оборудования служит обыкновенный песок. Его подвергают специальной обработке с использованием дорогостоящих высокотехнологичных процессов. При этом экономический эффект от использования приборов достаточно высок. Панели, чья поверхность равна площади крыши дачного дома (около 100 квадратных метров), могут генерировать в год до 8 тысяч киловатт-часов электроэнергии.

Энергия солнечного излучения в Арктике используется уже на протяжении двадцати лет. Но доля электричества, производимого кремниевыми панелями, пока еще очень мала. Основными источниками электрического тока по-прежнему остаются индукционные генераторы. Представители NSF (Национального научного фонда) США считают, что необходимо более широко внедрять технологии гелиоэнергетики, особенно в полярных регионах, где световой день длится полгода. По их мнению, большие перспективы имеют гибридные системы электроснабжения. Притом преобразователи солнечной энергии могут работать в автономном режиме или иметь подключение к единой сети.

Источник

Работа солнечных батарей зимой и способы увеличения их производительности

Солнечные панели уже давно прочно вошли в обиход многих потребителей, несмотря на то, что цена на них по-прежнему остается достаточно высокой. Однако такой экологически чистый альтернативный источник энергии является огромным достижением. Тем более, в последнее время появилось много усовершенствованных конструкций, производительность которых на порядок выше, чем у первых аккумуляторов. Многих интересует вопрос о том, можно ли использовать солнечные батареи зимой, как работают панели в условиях холода и насколько снижается их эффективность.

Свет, а не тепло

Первое, что следует понять — низкие температуры влияют по-разному на ту или иную гелиосистему. Многие люди полагают, что если на дворе стоит жаркое и солнечное лето, гелиоаккумуляторы работают максимально эффективно. Но такое мнение является ошибочным.

Для того чтобы преобразовывать энергию Солнца в электрическую, гелиосистема, прежде всего, нуждается в свете, а не в тепле. Кстати, чем выше температура воздуха, тем производительность панелей ниже, так как при нагреве всегда теряется определенное количество энергии.

Следовательно, оптимальные условия для высокой производительности панелей — яркое солнце, но прохладная погода, либо вообще низкий уровень температуры.

Безусловно, если стоит пасмурная погода, работа системы будет менее эффективной. Но если все части конструкции функционируют согласно определенным расчетам и техническим решениям, она всегда будет успевать подзаряжаться от Солнца в течение суток.

Когда Солнце располагается низко, панели получают меньше энергии. Ведь в таком случае атмосфера является для них более сложным препятствием, нежели во время высокого расположения светила над горизонтом. Поскольку зимой оно всегда находится низко, а сутки укорачиваются, количество энергии значительно уменьшается. Поэтому зимой так важен угол наклона панелей.

Солнечная батарея зимой значительно теряет свою производительность. Как правило, она становится от 2 до 8 раз меньше, в зависимости от того, в каком регионе располагается конструкция. Следовательно, солнечные батареи в Сибири (или другом холодном регионе) работать будут, но с меньшим результатом. Чтобы увеличить их эффективность, можно установить элементы, которые имеют максимальную площадь. Чем больше света собирает панель, тем больше электроэнергии для обогрева производит система.

Особенности работы в условиях холода

Если речь идет о фотоэлектрических элементах, энергию они производят и в зимнее время. Тот же вопрос можно отнести и к солнечным коллекторам. Одна из их основных задач — нагрев воды. Будут ли функционировать солнечные батареи зимой, как работают коллекторы в условиях холодов и морозов? Конечно, энергии мы получим гораздо меньше — по причине больших тепловых потерь как в самом коллекторе, так и в его трубах, которые обеспечивают его соединение с аккумуляторным баком. И если летом можно получить до 90% энергии, необходимой для горячего водоснабжения, зимой эта цифра падает до 25%.

При эксплуатации коллектора необходимо контролировать, чтобы трубки, через которые поступает жидкость, не замерзали. В действительности такой коллектор способен нагреть воду до +10-15°С и в мороз до минус 30°С, а дальнейшее нагревание уже делается с помощью других агрегатов.

При проживании в регионах с мягкой, но снежной зимой также нужно следить за тем, чтобы панели не было занесены снегом. В противном случае, они не смогут работать вообще.

Именно поэтому чаще всего их установка осуществляется только вертикально и на том месте, где присутствует сильный ветер. Небольшие объемы снега можно счищать обыкновенной щеткой.

В целях уменьшение теплопотерь аккумуляторные баки, соединенные с коллектором, рекомендуется устанавливать в теплом помещении. Таким образом, терять энергию система будет только в трубах, которые находятся снаружи. Важно иметь в виду, что они обязательно нуждаются в утеплителе. Это поможет сохранить еще больше тепла, поступающего в дом.

Оптимизация функций гелиосистем в зимнее время

Существует несколько способов, которые позволяют сделать работу гелиосистем более эффективной. Кроме того, предназначение некоторых из них — облегчить владельцу уход за панелями.

Например, канадские специалисты разработали специальный метод, действие которого основывается на силе ветра. Конструкция включает в себя четыре солнечные панели и специальное устройство, усиливающее поток воздуха. Такое изобретение получило название «эффекта Вентури». Принцип его работы заключается в том, что падающий снег просто сдувается с батарей сильным потоком воздуха . Однако если система установлена в зонах с отсутствием ветров, такой метод работать, к сожалению, не будет.

Оптимизация работы гелиосистем в разное время года включает в себя и изменение угла наклона солнечной панели или коллектора — в зависимости от высоты Солнца над горизонтом. Существуют разработки, благодаря которым имеется возможность менять наклон от 15 до 30 и от 30 до 70 градусов.

Также есть и эффективные системы слежения за Солнцем, работающие в течение дня и меняющие угол наклона элементов по мере изменения положения светила . Конечно, подобные конструкции стоят недешево, и возможность встроить их в уже имеющуюся систему есть не всегда.

Возможно ли полноценное обеспечение энергией и теплом зимой

Солнечные батареи не способны полностью обеспечить владельца энергией и теплом в холодное время года. Однако частично они могут помочь сэкономить расходы на электричество. Рассчитывать на полноценное электроснабжение с их помощью нельзя. Но они с лихвой могут окупить свою стоимость в течение ближайших десяти лет.

Кстати, на Дальнем востоке зимой уровень солнечной радиации значительно выше летнего, поэтому там возможна колоссальная экономия электричества при использовании солнечных аккумуляторов круглый год.

Итак, этот спорный, но во многом оправдывающий себя альтернативный источник энергии вполне может стать хорошим помощником в быту. Однако перед тем, как серьезно задуматься над приобретением солнечных панелей, следует изучить как специфику их работы в разное время года, так и особенности их устройства.

Источник

Солнечные батареи северные широты

Раньше альтернативные источники энергии применялись на севере только для обеспечения электричеством небольших исследовательских станций. Но теперь в век прогресса, солнечные батареи для дома стали так же доступны, как и бытовая техника. Фотоэлементы можно разместить в нескольких местах:

• На крышах коттеджей или ферм (как под вертикальным, так и под горизонтальным углом);
• На территории участка, если таковая имеется.

В первом случае проблем с обслуживанием солнечных батарей будет куда больше, однако они не критичны. Достаточно вовремя счищать снег, не более того.

Если заняться созданием ограждённого участка с солнечными фотоэлементами, придется дополнительно обустраивать место для размещения аппаратуры, так как в первом случае все АКБ, контроллеры и ИБП будут находиться в доме. Что так же влечет использование более надежного оборудования. Однако в данном случае, обслуживание панелей становится куда проще и выгодней.

По последним данным даже в самый облачный день, при инсоляции света по 5 ч в сутки, можно добиться вполне сносных результатов преобразования солнечной энергии. Обычно в день потребляется около 10-15 КВт и для выработки такого объема энергии придется задействовать немало квадратных метров – 40-60м2.

По сути, температурные перепады солнечным батареям абсолютно не страшны, больше заботы придется проявить к вторичным устройствам, от которых и будет зависеть суммарная полезность задействованных фотоэлементов.

Вместо того, что бы растрачиваться на ископаемые ресурсы и генераторы, достаточно один раз вложиться в фотоэлементы и можно на десятилетия забыть о стоимости за один киловатт.

Контроллеры заряда аккумулятора для северных регионов

Температурный показатель, под который стоит подбирать контроллер заряда аккумулятора, будет являться -25-30оС и не градусом выше. MPPT – тип контроллеров из числа которых следует осуществлять выбор, наиболее подходящих для северных регионов.
Наиболее требовательный набор функций для контролера:

• Светодиодная многофункциональная индикация;
• Выравнивание тока;
• Компенсация температур;
• Определитель напряжения;
• Переподключение после отключения.

Источник

Зеркала для ловли солнца. Как в Архангельске создали мобильную электростанцию для Арктики

Аспирант Северного Арктического федерального университета (САФУ) Кирилл Романов разрабатывает мобильную солнечную электростанцию для работы в арктических условиях. Он говорит, что интерес к его проекту уже проявляют компании, которые занимаются прокладкой кабельных линий связи, ученые, которые отправляются в экспедиции на Крайний Север, и даже национальные парки.

Холод — это хорошо

Кирилл поступил в университет изучать электроснабжение промышленных предприятий. А в магистратуре уже плотнее занялся теплоэнергетикой. Незадолго до этого в САФУ установили гибридную ветро-солнечную электростанцию для исследования эффективности применения возобновляемых источников энергии на территории Архангельска.

«И нас с товарищем поставили разбираться в устройстве и принципах работы электростанции, чтобы впоследствии внедрить ее в общую систему энергоснабжения здания. Меня это очень увлекло», — вспоминает Кирилл.

До Романова в САФУ альтернативной энергетикой тоже занимались, только акцент делали на энергию ветра. Но после установки маленькой солнечной электростанции на здании Учебно-научного центра энергетических инноваций все убедились в эффективности ее работы: в солнечный день весной энергии всего шести панелей хватало, чтобы провести несколько занятий. Еще выяснилось, что панели работают даже лучше, чем ожидалось.

«Мы пришли к выводу, что в Архангельске солнечные панели работают эффективней, чем должны. У кремниевых фотоэлементов, которые встроены в панель, при работе повышается температура, а с повышением температуры падает КПД. А так как средняя температура в зимнее время была около минус 15 градусов, при этом происходило естественное охлаждение при помощи холодного воздуха окружающей среды, то фотоэлементы раскрывали весь свой потенциал даже в условиях низкой инсоляции (недостатка солнечного света — прим. ТАСС). Мы сделали вывод, что панели могут работать эффективно, есть потенциал для работы в Архангельской области солнечных панелей даже в зимнее время».

Получилось, что для солнечных панелей чем холоднее, тем лучше. Правда, при отрицательных температурах возникает проблема намерзания снега на их поверхности. Для предотвращения этого процесса нужны гидрофобные (водоотталкивающие) покрытия. Их сейчас тоже исследуют, они требуются и для работы ветряных станций.

Солнечная энергия обычно ассоциируется с южными территориями, но во время полярного лета ее вполне можно использовать даже на Крайнем Севере. Ведь солнце с мая по сентябрь не заходит здесь вообще, и даже на самом северном архипелаге России и Евразии — Земле Франца-Иосифа количество солнечной энергии за сутки практически такое же, как на широте Москвы в середине лета.

Например, в национальном парке «Русская Арктика», который расположен на севере Новой Земли и Земле Франца-Иосифа, солнечную энергетику начали внедрять еще в 2013 году. Первый опыт был скромным — на мысе Желания архипелага Новая Земля при помощи энергии солнечных панелей вскипятили чайник.

Но эксперимент признали удачным и экологически чистую энергию решили использовать. Сейчас в летнее время базы на мысе Желания, в бухте Тихой, на острове Гукера и на острове Земля Александры полностью обеспечиваются электроэнергией за счет солнца. Экономия для каждого опорного пункта — примерно тысяча литров дизельного топлива за сезон, ну и, конечно, очень важно, что не загрязняется окружающая среда.

«Более того, мы продолжим внедрение солнечной энергетики в национальном парке. У нас уже закуплены панели для базы на острове Хейса, их нужно только доставить и смонтировать. Солнце показало себя очень хорошо. А мыс Желания у нас по-прежнему остается, так сказать, испытательным полигоном для альтернативной энергетики. Смотрим, как ветряки там себя покажут», — говорит директор «Русской Арктики» Александр Кирилов.

Правда, он отметил, что мобильные солнечные станции, которые сейчас предлагают производители, сложны в управлении, а если вырабатывают много электричества, то еще и громоздки. Они требуют высокого уровня профессионализма в работе со всеми этими контроллерами и инверторами. Если станция небольшая, то от нее можно максимум зарядить мобильный телефон.

Ловить солнце

Именно над решением этой проблемы и работает Кирилл Романов. Свою мобильную электростанцию он разрабатывает в рамках грантовой программы «Умник» от Фонда содействия инновациям. Программа поддерживает коммерчески ориентированные научно-технические проекты молодых ученых от 18 до 30 лет. По завершении должен получиться продукт, который можно внедрить в производство. Победитель получает грант 500 тыс. рублей на доработку своей идеи или проекта. Так и Романов совершенствует свой прототип.

Чтобы сделать станцию максимально эффективной, Романов предлагает несколько решений. Первое — это зеркала, точнее, зеркальные концентраторы. Они будут направлены к панелям под углом, чтобы ловить как можно больше солнца. Причем выдвигаться они должны автоматически и только когда датчики зафиксируют, что освещения недостаточно.

«Если температура +20 градусов и они будут выдвинутые стоять целый день, то фотоэлементы выйдут из строя из-за перегрева. А если ближе к вечеру температура падает и датчик показывает, что температура фотоэлемента находится в пределе номинальных рабочих значений, то тогда начинают работать зеркальные концентраторы», — рассказывает Кирилл.

Зеркальные концентраторы должны убираться и при усилении ветра, чтобы конструкция не упала и ее хрупкие элементы не разбились. Есть проблема с поиском материала для зеркал. Концентраторы в первом прототипе оказались непрочными и тяжелыми. Сейчас молодой исследователь изучает возможность использования тонкопленочных рефлекторных гибких материалов, способных выдерживать силу воздействия порывов ветра.

«Нужна очень тонкая пленка, у которой коэффициент отражения будет идеальный, без искажений», — подчеркивает Кирилл.

Движение за светом

Самое сложное — сделать так, чтобы солнечная станция не была статичной, а следила за солнцем, причем как по вертикали, так и по горизонтали наподобие арктических цветов, например полярных маков. Их желтые бутоны похожи на маленькие солнечные батарейки: поверхность, обращенная к пестикам и тычинкам, — глянцевая, как зеркальная чаша. На тонком стебельке цветок в течение всего полярного дня поворачивается за солнцем.

Но перенести это на механическую конструкцию не так просто. Нужен двухосевой трекер, который позволит установке следовать за солнцем как вправо-влево, так и вверх-вниз. Здесь много нюансов, например, чтобы вся эта система не замерзла в мороз. Также надо предусмотреть, как будут работать механические детали и какие противообледенительные жидкости можно применить. Все эти вопросы — самое сложное в проекте, признается Кирилл.

Он свою мобильную солнечную электростанцию хочет сделать максимально удобной. Важный момент — транспортировка и удобство для пользователя, тот самый принцип «для чайников», которого, как говорит директор «Русской Арктики» Александр Кирилов, нет в существующих предложениях.

Романов планирует, что его станцию можно будет разместить в автомобильном прицепе или коробе, который можно перевезти на место вертолетом, самолетом или судном. На месте ее достаточно будет просто развернуть и включить.

«И чтобы это работало по принципу Plug and Play. Просто нажал на кнопку, и за тебя микрокомпьютер все решает, определяет геоданные, смотрит, где солнце в этом регионе, и подстраивает движения солнечного трекера под движение солнца, чтобы были самые благоприятные условия для работы солнечных батарей», — объясняет Кирилл.

Искусственное солнце

Весна в этом году в Архангельске не слишком солнечная, поэтому Кирилл сделал искусственное солнце прямо в лаборатории. Это система из инфракрасных ламп и прожекторов. Так он проверяет эффективность зеркал и разных типов панелей.

«Основной спектр поглощения солнечных батарей — это спектр видимого излучения, ближе к инфракрасному, — рассказывает ученый. — На лампы дневного света солнечная панель практически не реагирует, она больше даже на спичку реагирует, чем на светодиодную лампу. В данный момент я занимаюсь исследованием эффективности работы монокристаллических и поликристаллических солнечных панелей. Существует определенный миф, что поликристаллические панели в облачную погоду работают лучше, чем монокристаллические. Интересно посмотреть на разницу в условиях отрицательных температур».

Есть у Кирилла и одна интересная находка. Это панели, между фотоэлементами которых находится прозрачный материал. Сквозь него проходят лучи и, отражаясь от снега, падают на заднюю поверхность панели, где тоже находятся солнечные элементы. Для Арктики, где много снега, такой вариант двусторонних панелей тоже может оказаться эффективным. Вместо снега, кстати, тоже можно использовать зеркало.

Кирилл Романов определил свою целевую аудиторию. Это научно-исследовательские экспедиции в удаленные точки, например за полярный круг или в горы; вахтовики, которые ремонтируют или строят что-то в Арктике, например прокладывают трубопроводы или линии электропередачи. Для них может быть изготовлен комбинированный вариант: к солнечной батарее запасным будет дизель-генератор. Еще солнечные станции могут использовать путешественники и рыбаки.

«И также я рассматривал объекты культурного наследия, — говорит Кирилл. — В национальных парках или музеях, где старинные сооружения, нужно сохранить экологически благоприятную среду. Там зачастую нельзя использовать дизель-генератор, а должно быть освещение там, где могут быть установлены маленькие магазинчики или старые домики, где проводятся экскурсии».

Работу над зеркальными концентраторами Кирилл Романов планирует завершить к концу мая, а прототип мобильной солнечной станции будет готов показать уже к новому году. ​

Источник