РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ДОМАШНИХ СОЛНЕЧНЫХ СИСТЕМ

АННОТАЦИЯ

Солнечная энергия уже давно признана устойчивой альтернативой ископаемому топливу. Но высокая стоимость оборудования, включая солнечные панели и батареи, заставила многих домовладельцев отказаться от них. Однако, благодаря технологическим инновациям, цены на домашние солнечные энергосистемы стали существенно доступнее, чем они были в прошлом.

Солнечные домашние системы (SHS) представляют собой автономные фотоэлектрические системы, которые предлагают экономичный способ подачи электроэнергии для освещения и бытовой техники удаленным от сети домохозяйствам. Данные системы позволяют избежать выбросов парниковых газов за счет сокращения использования традиционных энергоресурсов, таких как керосин, газ или сухие аккумуляторные батареи, или замены дизельных генераторов для выработки электроэнергии.

В связи с чем целью статьи стало рассмотрение разработки энергоэффективных домашних солнечных систем. В качестве методологической базы использовались научные труды отечественных и зарубежных авторов, а также результаты уже проведенных исследований.

ABSTRACT

Solar energy has long been recognized as a sustainable alternative to fossil fuels. But the high cost of equipment, including solar panels and batteries, has forced many homeowners to abandon them. However, thanks to technological innovations, prices for home solar power systems have become significantly more affordable than they were in the past.

Solar Home Systems (SHS) are self-contained photovoltaic systems that offer an economical way to supply electricity for lighting and household appliances to households far from the grid. These systems help to avoid greenhouse gas emissions by reducing the use of traditional energy resources such as kerosene, gas or dry batteries, or replacing diesel generators to generate electricity.

In this regard, the purpose of the article was to consider the development of energy-efficient home solar systems. Scientific works of domestic and foreign authors, as well as the results of already conducted research, were used as a methodological basis.

Ключевые слова: энергия, свет, возобновляемые источники, солнечные системы, солнце.

Keywords: energy, light, renewable sources, solar systems, the sun.

Введение

Энергетика представляет собой ключевую отрасль современной экономики государства. В последние десятилетия способы генерации энергии по всему миру изменяются в соответствии с соотношением используемых видов топлива. В структуре производства электроэнергии в России преобладают тепловые электростанции – 68,4 %, атомные – 10,6 % и гидравлические – 21 %. На долю возобновляемых источников энергии приходится около 0,9% . Россия, как и другие страны мирового сообщества, обеспокоена проблемами экологии, поэтому государство активно поддерживает технологии возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В некоторых случаях такие источники рассматриваются как экономически выгодный ресурс, особенно в области автономного энергоснабжения, которая охватывает более 70 % территории Российской Федерации. Например, отдаленные районы Крайнего Севера, Дальнего Востока и Сибири. Третий раздел документа "Энергетическая стратегия России на период до 2035 года" посвящен развитию нетрадиционных источников энергии [3].

Электричество было востребованным товаром, которым каждый может воспользоваться во многих формах возобновляемой энергии”.

Энергия в жилых помещениях является жизненно важной частью повседневной жизни. Люди зависят от электричества в питании бытовых приборов, нагревании воды и обеспечении света. Потребление энергии в доме может варьироваться в зависимости от размера семьи. Существует множество способов выработки электроэнергии в домашних условиях, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Рисунок 1. Наземные солнечные батареи, установленные в сельской местности

Вырабатывая электроэнергию дома, возможно сократить выбросы углекислого газа, счета за коммунальные услуги и загрязнение окружающей среды, вызванное коммерческим производством электроэнергии с использованием ископаемого топлива. В дополнение к снижению загрязнения, производство электроэнергии с использованием экологически чистой энергии предлагает налоговые вычеты и кредиты, доступные для тех, кто использует экологически чистую энергию [5].

1. Типы солнечных панелей для дома

При выборе солнечных панелей для установки крайне важно подобрать оптимальный тип, который соответствует потребностям и обеспечивает максимальную эффективность их использования. Существует три основных типа солнечных панелей, которые обычно применяются в домашних условиях: монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные.

Монокристаллические панели, которые  изготавливаются из монокристаллической структуры, что делает их весьма эффективными и компактными. Они обладают гладким черным внешним видом и известны своей высокой долговечностью.

Поликристаллические панели, напротив, создаются из различных кристаллических структур. Они более доступны по цене, но немного менее эффективны по сравнению с монокристаллическими панелями.

И, наконец, тонкопленочные солнечные панели изготавливаются путем нанесения тонкого слоя фотоэлектрического материала на подложку. Они гибкие и легкие, что делает их подходящими для нестандартных установок.

Для обеспечения эффективной домашней солнечной энергетической системы необходимо осознать ключевые составляющие, которые обеспечивают ее работу [2].

Высокое поступление солнечной фотоэлектрической энергии (PV) с использованием сетевой фотоэлектрической системы может вызвать проблемы с передачей энергии по сети. Распределенная генерация энергии с накоплением энергии - хороший выбор для решения этой проблемы. Однако стоимость накопления энергии очень высока, и солнечная фотоэлектрическая система может быть неэкономичной.

Хсу и др. разработали гибридную солнечную фотоэлектрическую систему (HyPV), как показано на рис. 2. HyPV работает в автономном фотоэлектрическом режиме или в сетевом режиме автоматически с использованием технологии переключения. Солнечная энергия в сеть не подается. Когда доступна солнечная энергия, включая выработку фотоэлектрической энергии и аккумуляторы, она работает в режиме фотоэлектрической энергии, а нагрузка полностью питается от солнечной энергии как автономный фотоэлектрический источник. Когда выработка фотоэлектрической энергии и накопление батареи заканчиваются, устройство переключается в сетевой режим через ATS (автоматический переключатель передачи). Нагрузка полностью питается от сети, и аккумулятор снова заряжается от солнечной фотоэлектрической батареи. HyPV переключится обратно в фотоэлектрический режим, когда аккумулятор зарядится определенным количеством энергии.

Рисунок 2. Принципиальная схема HyPV

Далее была предложена солнечная домашняя система, вырабатывающая электроэнергию с использованием HyPV с накопителем для самостоятельного потребления. Фотоэлектрическая система такого типа обычно небольшого размера (1-3 кВт) и выглядит как бытовой прибор. Таким образом, ее можно комбинировать с системой горячего водоснабжения, поскольку в домашнем хозяйстве всегда есть потребность в горячей воде. Поскольку тепловое хранилище намного дешевле аккумуляторной батареи, это значительно снизит стоимость хранения энергии.

Поскольку в HyPV солнечная фотоэлектрическая энергия не подается в сеть, накопитель энергии должен быть достаточно большим, чтобы избежать потерь при выработке фотоэлектрической энергии. Электрический водонагреватель используется для накопления фотоэлектрической энергии в виде тепла для обеспечения достаточной емкости аккумулятора, называется “солнечная домашняя система HyPV” (рис.3.). В режиме PV энергия PV будет накапливаться в виде горячей воды (тепловой аккумулятор) электронагревателем через ATS2 при полной зарядке аккумулятора. Поскольку тепловое хранилище намного дешевле аккумуляторной батареи, двойное накопление энергии снизило бы общую стоимость солнечной домашней системы HyPV.

Рисунок 3.  HyPV солнечная домашняя система с двойным накопителем энергии

Боклиш обсудил гибридное накопление энергии (HESS) для управления потоком энергии при снижении пиковых нагрузок. Ли теоретически исследовал систему солнечного освещения с батареей и обогревателем, которая накапливает фотоэлектрическую энергию в дневное время, когда батарея заряжена.

Акбария и др. рассмотрели все типы систем накопления энергии, которые могут быть интегрированы с фотоэлектрической системой, состоящей из накопителей электрической и тепловой энергии. Обсуждается интеграция фотоэлектрических накопителей энергии в интеллектуальные здания, а также роль фотоэлектрических накопителей энергии в контексте будущих разработок в области хранения энергии [1].

2. Эффективность панелей

Эффективность солнечных панелей измеряется в стандартных условиях тестирования (STC) на основе температуры элемента 25 ° C, солнечной освещенности 1000 Вт / м2 и массы воздуха 1,5. КПД солнечной панели (%) рассчитывается путем деления номинальной мощности модуля (Вт), или Pmax, на общую площадь панели в квадратных метрах при уровне освещенности 1000 Вт / м2 (STC). По сути, это выходная мощность, деленная на потребляемую мощность, выраженная в процентах.

Рисунок 4. Эффективность солнечных панелей

Эффективность солнечных панелей рассчитывается путем деления номинальной мощности модуля (Pmax) на площадь (м2) при STC (1000 Вт / м2).

Многие факторы, включая температуру, уровень освещенности, тип элемента и взаимосвязь элементов, могут влиять на общую эффективность панели. Удивительно, но даже цвет защитного заднего листа может повлиять на эффективность. Черная задняя панель может выглядеть более эстетично, но она поглощает больше тепла, что приводит к более высокой температуре элемента, что увеличивает сопротивление; это, в свою очередь, немного снижает общую эффективность преобразования.

Рисунок 5. Влияние конструкции солнечных элементов на эффективность панели

Панели, построенные с использованием передовых элементов с обратным контактом или IBC, являются наиболее эффективными, далее следуют элементы с гетеропереходом (HJT), элементы TOPcon, монокристаллические PERC-элементы с половинным срезом и несколькими шинами, элементы с черепицей и, наконец, моноэлементы на 60 ячеек (4-5 шин). Поли- или мультикристаллические панели на 60 элементов, как правило, являются наименее эффективными и в равной степени самыми дешевыми панелями [4, 7].

3. Соотношение затрат и эффективности

Все производители выпускают ряд панелей с различными показателями эффективности в зависимости от используемого типа кремния и от того, используются ли в них PERC, мультишинные или другие технологии элементов. Очень эффективные панели выше 21% с элементами N-типа, как правило, намного дороже, поэтому, если стоимость является серьезным ограничением, они лучше подойдут для помещений с ограниченным монтажным пространством. В противном случае можно доплатить за ту же мощность, которая может быть достигнута при использовании 1 или 2 дополнительных панелей. Однако высокоэффективные панели с использованием элементов N-типа почти всегда превосходят и переживут панели с использованием элементов P-типа из-за более низкой скорости разрушения под действием света, поэтому дополнительные затраты обычно оправдываются в долгосрочной перспективе.

Например, высокоэффективная панель мощностью 400 Вт + может стоить 350 долларов или больше, в то время как обычная панель мощностью 370 Вт обычно стоит около 185 долларов. Это примерно 0,50 доллара за Ватт по сравнению с 0,90 доллара за Ватт. Хотя в случае с ведущими производителями, такими как Sunpower, Panasonic и REC, более дорогие панели обеспечивают более высокую производительность при более низкой скорости разложения и, как правило, имеют более длительный срок гарантии от производителя или продукции, часто это разумная инвестиция.

4. Соотношение размера панели и эффективности

Эффективность панелей рассчитывается как номинальная мощность, деленная на общую площадь панели, поэтому простое использование панели большего размера не всегда приравнивается к повышению эффективности. Однако более крупные панели с использованием элементов большего размера увеличивают площадь поверхности элементов, что повышает общую эффективность.

В прошлом в большинстве распространенных жилых панелей использовались стандартные квадратные панели размером 6 дюймов (156 мм) с 60 ячейками, в то время как в коммерческих системах использовались панели большего формата с 72 ячейками. Однако, как объясняется ниже, в 2020 году в отрасли наметилась новая тенденция к панелям гораздо больших размеров, построенным на элементах большего размера, что повысило эффективность панелей и увеличило выходную мощность до впечатляющих 600 Вт [6].

Заключение

Разработка энергоэффективных домашних солнечных систем представляет собой важный шаг в направлении устойчивого развития и экологической эффективности. В ходе исследования данной темы было установлено, что использование солнечных систем в домашнем хозяйстве имеет значительный потенциал для снижения зависимости от традиционных источников энергии, таких как ископаемые топлива. Энергоэффективные системы на основе солнечной энергии не только способствуют сокращению выбросов углерода и загрязнения окружающей среды, но и могут значительно снизить расходы на электроэнергию.

Использование технологий солнечных панелей и накопителей энергии позволяет создавать устойчивые и независимые источники электропитания. Однако, необходимо продолжать исследования в этой области для улучшения эффективности и доступности таких систем для широкого пользования.

Список литературы:

1. Development of solar home system with dual energy storage. [Электронный ресурс] - Режим доступа:  https://link.springer.com/article/10.1007/s42452-019-1000-8 – (дата обращения  25.12.2023).
2. Exploring Efficient Home Solar Power Systems. [Электронный ресурс] - Режим доступа:  https://greenlifezen.com/exploring-efficient-home-solar-power-systems/ – (дата обращения  25.12.2023).
3. Петрушкин А. А. Инновации в разработке солнечных элементов // Молодой ученый. 2017. № 18 (152). С. 70-78.
4. Самые эффективные солнечные панели 2023 года. [Электронный ресурс] - Режим доступа:  https://www.cleanenergyreviews.info/blog/most-efficient-solar-panels – (дата обращения  25.12.2023).
5. Энергоэффективные дома: способы выработки электроэнергии. [Электронный ресурс] - Режим доступа:   https://solgenpower.com/2022/10/26/ways-of-generating-electricity-in-2022/ – (дата обращения  25.12.2023).
6. Эффективность солнечных панелей: определение и значение. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://lamiradacritica.com/ru/stories/8071-solar-panel-efficiency-definition-and-importance – (дата обращения  25.12.2023).
7. Эффективность солнечных панелей: факторы и рекомендации. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://pvplive.net/ru/solar-panel-efficiency-factors-and-recommendations/ – (дата обращения  25.12.2023).