Мини гидроэлектростанции
Самодельные гидроэлектростанции – это дополнительные альтернативные источники энергии своими руками, их можно построить у ручья или водоема с плотиной. Основа этой конструкции – колесо, которое вращается потоками воды, а от скорости течения зависит мощность установки.
Как самостоятельно изготовить конструкцию?
Для осуществления задуманного понадобятся следующие материалы:
- автомобильные колеса;
- генератор;
- обрезки уголка и металла;
- фанера;
- медный провод;
- магниты неодимовые;
- полистироловая смола.
Колесо изготавливается из дисков размером 11 дюймов. Стальная труба разрезается на четыре части по вертикали, из получившихся сегментов получаются лопасти, их потребуется 16 штук. Лопасти крепятся сваркой, а диски – болтами.
Размеры сопла соответствуют ширине колеса, его изготавливают из обрезка металла. Придав соответствующую форму, края соединяют сваркой. Сопло должно быть настроено по высоте для регулирования водяного потока.
Далее, ось сваривается и на нее устанавливается колесо. Изготавливается генератор, который защищается металлическим крылом от брызг. Все элементы покрываются краской для защиты от влаги и коррозии.
Такое устройство не требует огромных капиталовложений, но оно способно значительно снизить расходы на электроэнергию.
Как добиться максимальной эффективности
Для того чтобы работа солнечной электростанции была максимально эффективна, при ее постройке и монтаже необходимо учитывать некоторые особенности солнечных панелей
Особо следует обратить внимание на следующие моменты:
- Температура. Чем ниже температура окружающего воздуха и самой панели, тем она эффективнее. Поэтому не загораживаем солнечные элементы от ветра и тем более не помещаем в стеклянный аквариум для дополнительной защиты. О защите от окружающей среды уже побеспокоились производители.
- Тень. Устанавливаем батареи в месте, где в течение всего светового дня не будет тени. Стоит элементам попасть в тень, как эффективность их упадет на 50-60%.
- Угол наклона. Наиболее эффективно панель работает тогда, когда солнечные лучи на нее падают под прямым углом. Точно, конечно, его выдержать не удастся – солнце движется. Поэтому выставляем прямой угол в полдень в середине весны. Это будет оптимально.
- Пыль. Регулярно очищаем панель от пыли и прочего мусора. Даже слой пыли, малозаметный на глаз, задерживает до 40% солнечных лучей. Поэтому не ленимся, берем шланг и «купаем» наши батареи.
- Отражение. Если элементы закрыты обычным стеклом, то часть света от него просто отражается, не добравшись до фотоэлементов. Особенно этот эффект проявляется утром и вечером, когда угол падения лучей небольшой. Частично с этим можно бороться при помощи антибликового покрытия. Если есть такая возможность, стоит купить именно такие панели. Стоить это будет ненамного дороже, а эффект окажется весьма ощутимым.
- Контроллер. КПД солнечной электростанции сильно зависит от того, насколько эффективно используется вырабатываемая панелью энергия. Именно этим и занимается контроллер, который может быть двух типов: ШИМ и MPPT. Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что второй тип намного предпочтительнее, поскольку он следит за точкой максимальной мощности, постоянно удерживая ток и напряжение на оптимальном для текущей освещенности значении. ШИМ же контроллер лишь регулирует величину напряжения, поступающего с панели, тем самым оптимизируя ток зарядки АКБ.
Преимущества и недостатки
К достоинствам можно отнести: Экологичность. Никаких выхлопов, выбросов и копоти. Только чистая энергия и свежий воздух. Удобство. Солнечная электростанция не тарахтит, как бензиновый движок, и не коптит прямо под окном. Она практически не требует обслуживания и расходных материалов. Кроме того, мы абсолютно не зависим от прихотей энергопоставляющих компаний и аварий на линии. Длительный срок службы. Единственным слабым звеном у солнечной электростанции является аккумулятор, срок службы которого исчисляется несколькими годами. Сами солнечные панели могут работать десятилетиями. Конечно, и они со временем деградируют, но будучи изготовленными хорошим производителем, лет 15-20 особых проблем доставлять не будут.
Ну а теперь о недостатках: Стоимость. Солнечные панели постоянно дешевеют, но все еще довольно дороги. К примеру, батарея из поликристаллов (не самый дорогой вариант) мощностью 300 Вт обойдется примерно в 7-8 тысяч рублей. Киловаттный инвертор, изображенный на фото выше, стоит примерно так же. Ну и плюс аккумулятор и контроллер. Зависимость от погоды. Если непогода затянется, то мы можем оказаться без света. Перспектива не из приятных. Климатический пояс. Этот пункт напрямую связан с предыдущим. Если в вашем регионе постоянные дожди и туманы, а солнышко показывается раз в неделю, то толку от солнечной электростанции будет немного.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что пока рано говорить о «даровой» солнечной энергии. Тем не менее такой вариант будет отличным выходом из положения, когда других вариантов (простите за каламбур) нет. Неэлектрифицированные дачи, охотничьи домики, удаленные пасеки… да мало ли объектов, куда провести линию электропередач нет возможности. Тот же поход в Гималайские горы. Взял панель, свернутую в трубочку, и аккумулятор от мопеда. Контроллер в карман, инвертор не нужен. И свет, и музыка, и связь, и даже ноутбук.
Вот мы и выяснили, какими бывают солнечные батареи, из чего состоят, как работают и что умеют. Возможно, кто-то, прочтя эту статью, задумается о постройке солнечной электростанции.
Спасибо, помогло!4Не помогло
Сейчас читают:
Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?
Из чего состоит гальванический элемент и как он работает
Как пользоваться ареометром для аккумулятора
Блок питания что это такое и какими они бывают
Все про ИБП (источник бесперебойного питания): зачем нужен и как работает
Виды возобновляемой энергии в России
Солнечная энергия
Используется и в промышленных масштабах, и у местного населения как резервный или основной источник тепла и электричества. Мощность всех солнечных установок – 400 МВт, из них самые крупные в Самарской, Астраханской, Оренбургской областях и Крыму. Самая мощная СЭС – «Владиславовка» (Крым). Ещё разрабатываются проекты для Сибири и Дальнего Востока.
Ветровая энергетика
Ветровая возобновляемая энергия в России представлена чуть хуже, чем солнечная, хотя и здесь есть промышленные установки. Общая мощность ветровых генераторов в нашей стране – 183,9 МВт (0,08 % от всей энергосистемы). Больше всего установок – в Крыму, а мощнейшая находится в Адыгее – «Адыгейская ВЭС».
Гидроэнергетика
Это самый популярный вариант альтернативного источника энергии в России. Около 200 речных ГЭС вырабатывают до 20% от всей энергии в стране. В заливе Кислая губа в Мурманской области с 1968 года есть приливная электростанция – «Кислогубская ПЭС». Самая крупная ГЭС стоит на реке Енисей – «Саяно-Шушенская».
Геотермальная энергетика
За счёт обилия вулканов этот вид энергетики распространён на Камчатке. Там 40% потребляемой энергии генерируется на геотермальных источниках. По данным учёных, потенциал Камчатки оценивается в 5000 МВт, а вырабатывается только 80 МВт энергии в год. Ещё геотермальные станции есть на Курилах, Ставропольском и Краснодарском крае.
Биотопливо
Наша страна входит в тройку экспортёров пеллет на европейском рынке. В России есть заводы, создающие из остатков древесины пеллеты и брикеты, которыми топят котлы и печки.
Сельскохозяйственные отходы преобразуют в жидкое топливо и биогаз для дизельных двигателей. А вот свалочный газ не используется вообще, его просто выбрасывают в атмосферу, нанося ущерб окружающей среде.
Контроллер заряда для солнечных батарей
У прямого подключения панели к аккумулятору есть недостатки:
- Аккумулятор с номинальным напряжением 12 В будет заряжаться только при достижении напряжения на выходе фотоэлементов 14,4 В, что близко к максимальному. Это значит, что часть времени батареи заряжаться не будут.
- Максимальное напряжение фотоэлементов – 18 В. При таком напряжении ток заряда аккумуляторов будет слишком большим, и они быстро выйдут из строя.
Для того чтобы избежать этих проблем необходима установка контроллера заряда. Самыми распространенными конструкциями являются ШИМ и МРРТ.
ШИМ-контроллер заряда
Работа ШИМ-контроллера (широтно-импульсная модуляция – англ. pulse-width modulation – PWM) поддерживает постоянное напряжение на выходе. Это обеспечивает максимальную степень заряда аккумулятора и его защиту от перегрева при зарядке.
МРРТ-контроллер заряда
МРРТ-контроллер (Maximum power point tracker – слежение за точкой максимальной мощности) обеспечивает такое значение выходного напряжения и тока, которое позволяет максимально использовать потенциал солнечной батареи вне зависимости от яркости солнечного света. При пониженной яркости света он поднимает выходное напряжение до уровня, необходимого для зарядки аккумуляторов.
Такая система есть во всех современных инверторах и контроллерах зарядки
Современные разработки
Одно из перспективных направлений ‒ преобразование в электроэнергию всех спектров излучения. Разработки в этом направлении ведутся многими компаниями, институтами, научными центрами и результаты уже есть.
Теория наноантенн
Идея преобразования излучения Солнца в электрический ток по принципу выпрямляющей антенны, работающей в диапазоне оптических волн 0,4-1,6 мкм, появилась еще в 1972 г. и принадлежит Р. Бейли. Потенциальный КПД таких антенн в теории составит 85%. Первая попытка создать солярный преобразователь на наноантеннах была предпринята в 2002 г. компанией ITN Energy Systems, которая не увенчалась успехом. Несмотря на это, данная методика рассматривается как наиболее перспективная и исследования продолжаются.
Фотоэлементы на основе перовскита
Сегодня этот материал, как альтернатива кремнию, наиболее популярный среди производителей. Его стоимость намного дешевле, что в конечном итоге положительно влияет на цену продукта. При этом в его состав входит токсичный свинец, который долгое время пытались заменить. Группа нидерландских ученых, работая над этим вопросом, случайно совершила открытие.
Свинец заменили оловом и при тестовых исследованиях заметили странное явление. «Горячие электроны», то есть электроны с повышенной энергией, отдавали ее через несколько наносекунд, вместо нескольких сотен фемтосекунд, что значительно дольше. В обычных панелях такие электроны преобразовываются в тепло, а не в электричество. В данном случае за счет медлительности электронов появляется возможность преобразовать их в электроэнергию, до того, как они станут теплом.
Гениальное изобретение
Уже в конце XIX ст. ученые стали задумываться над использованием энергии Солнца. Поводом послужила работа известного французского физика А. Беккереля – «Электрические явления, происходящие от освещения тел». В ней он описал фотовольтаический эффект – возникновения напряжения или электрического тока в веществах под воздействием света. Неоценимый вклад в 1873 г. сделал английский инженер-электрик У. Смит, открывший фотопроводимость селена. В 1887 г. немецкий физик Герц открыл внешний фотоэффект, изучив выход электронов из вещества при воздействии на него светом.
Еще более полувека ученые трудились над созданием прямого преобразователя света в электроэнергию. В 1950-х гг. специалистами компании Bell Laboratories была создана первая полноценная солнечная панель. Новые технологии сразу вызвали огромный интерес в космической сфере и, спустя всего 4 года, в космос были запущены американский и советский спутники, оснащенные солнечными батареями.
Биотопливо
Биоэнергетика получает электричество и тепло из топлива первого, второго и третьего поколений.
Первое поколение – твёрдое, жидкое и газообразное биотопливо (газ от переработки отходов). Например, дрова, биодизель и метан.
Второе поколение – топливо, полученное из биомассы (остатков растительного или животного материала, или специально выращенных культур).
Третье поколение – биотопливо из водорослей.
Биотопливо первого поколения легко получить. Сельские жители ставят биогазовые установки, где биомасса бродит под нужной температурой.
Самый традиционный способ и древнейшее топливо – дрова. Сейчас для их производства сажают энергетические леса из быстрорастущих деревьев, тополя или эвкалипта.
А сколько нужно для частного дома?
Одна солнечная панель стоит от 7000 рублей. Стоимость может быть очень разной – всё зависит от размеров панели, её качества и, конечно же, от производителя: чем раскрученнее бренд, тем дороже.
Но вы же понимаете, что панели будут работать только днём, причём солнечным днём, а в пасмурную погоду или ночью эта система просто не сможет функционировать. И энергия будет потребляться из запасов, накопленных в солнечные часы. А чтобы образовался запас, должны быть излишки, и это дополнительные панели.
ФОТО: img.alicdn.comЧтобы сохранить избыток энергии, потребуются аккумуляторы, причём не любые, а гелевые, которые прослужат долго и надёжно
Аккумуляторов надо не один и не два, а минимум четыре или больше, в зависимости от того, какое количество энергии вам потребуется. И какими бы надёжными эти аккумуляторы ни были, они служат года 3–4, а потом их придётся менять.
Если сложить всё вместе, получится далеко не 60 тысяч, а минимум 300, и ещё придётся постоянно вкладываться в плановую замену панелей и аккумуляторов. Вы готовы к этому?
Разновидности фотоэлементов
Солнечные батареи классифицируются по нескольким признакам:
- мощности;
- конструкции и структуре;
- материалу фотоэлектрического преобразователя.
Мощность солнечных элементов зависит от их площади и конструктивных особенностей. Промышленностью выпускается большое количество моделей: от миниатюрных (например, для портативной электроники) до крупногабаритных вариантов (для зданий, электростанций).
Конструктивно модули могут быть:
- гибкими;
- жесткими.
Использование тонкопленочных гибких моделей позволяет нивелировать некоторые неровности монтажной поверхности. В этом плане они универсальнее. Но гибкие панели дороже жестких аналогов.
По структуре панели бывают двухслойными и многослойными. КПД последних достигает 32 %, что на сегодняшний день делает их наиболее эффективным вариантом.
ФЭП по материалу фотоэлектрического слоя могут быть:
- кремниевыми;
- органическими;
- теллурий-кадмиевыми;
- арсенид-галлиевыми;
- полимерными.
Это далеко не полный перечень. Постоянно появляются новые материалы.
Реальная Эффективность
В реальных условиях эффективность работы солнечной панели зависит от многих внешних факторов. В зависимости от местных условий окружающей среды эти различные факторы могут снизить эффективность панели и общую производительность системы. Основные факторы, влияющие на эффективность солнечной панели, перечислены ниже:
- Освещенность (Вт/м2)
- Затенение
- Ориентация панели
- Температура
- Местоположение (широта)
- Время года
- Пыль и грязь
Факторами, оказывающими наибольшее влияние на эффективность панели в реальных условиях, являются освещенность, затенение, ориентация и температура.
Приведенные выше кривые мощности показывают взаимосвязь между излучением и выходной мощностью панели.
Уровень солнечного излучения , измеряемый в ваттах на квадратный метр (Вт/м2), зависит от атмосферных условий, таких как облака и смог, широты и времени года. Естественно, если панель полностью затенена, выходная мощность будет очень низкой, но частичное затенение также может иметь большое влияние не только на эффективность панели, но и на общую эффективность системы. Например, небольшое затенение нескольких ячеек на одной панели может снизить выходную мощность на 50% и более, что, в свою очередь, может снизить мощность всей цепочки на аналогичную величину, поскольку большинство панелей соединены последовательно, и затенение одной панели влияет на всю цепочку
Поэтому очень важно попытаться уменьшить или устранить затенение, если это возможно
К счастью, существуют дополнительные устройства, известные как оптимизаторы и микроинверторы, которые могут уменьшить негативное влияние затенения, особенно когда затеняется лишь небольшое количество панелей.
Принцип работы солнечных батарей
Схема элементов солнечной батареи.
Всем известно, что электричество — это основной источник энергии. Но его можно получить и более простым путем. Солнце — это естественный источник энергии, который может широко использоваться в современном мире. Для солнечных батарей главным механизмом работы является поглощение солнечной энергии и преобразование ее в электрическую, а впоследствии в тепловую. Наиболее широкое применение эти устройства нашли в системе отопления частных домов.
Такие батареи представляют собой фотоэлектрические генераторы электрической энергии. У солнечных батарей есть полупроводниковый элемент, на который воздействуют солнечные лучи. Вследствие всего этого образуется постоянный электрический ток, который в дальнейшем используется для обогрева.
В цепях солнечных батарей генерируется напряжение, которое и имеет ценность. В состав аппарата входит аккумулятор, который способен накапливать энергию. Несомненно, для того чтобы это было возможно, потребуется солнечная погода. После накопления энергии, аккумулятор может снабжать потребителя теплом некоторое время в пасмурную погоду.
Эффективность солнечных батарей зимой
Несмотря на то что зимой солнце поднимается ниже, поток света уменьшается незначительно, особенно после выпадения снега.
Основных причин, по которым солнечные элементы зимой менее эффективны три:
- Меняется угол падения лучей. Для того чтобы сохранять мощность, угол наклона батареи необходимо менять хотя бы раз в сезон, а лучше каждый месяц.
- Снег, особенно влажный, налипает на поверхность устройства. Его необходимо убирать сразу после выпадения.
- Зимой меньше продолжительность светлого времени суток, а также больше пасмурных дней. Изменить это невозможно, поэтому приходится рассчитывать мощность батареи по зимнему минимуму.
Подведем итоги: в чем плюсы и минусы установки солнечных панелей?
Начнем с минусов. Самый очевидный — цена, которую нужно заплатить за установку панелей, плюс стоимость инвертора и (по желанию) аккумулятора. К тому же не всякая крыша для этого подойдет.
Активный период работы панелей приходится на лето: как только продолжительность светового дня сокращается, уменьшается и эффективность панелей. К примеру, в 2017 году от общего объема электроэнергии, выработанного в Британии с апреля по июнь, доля энергии от панелей составила 6%, а с октября по декабрь — всего 1,5%. Для тех жителей страны, которые не бывают дома днем, панели не представляют особых преимуществ, особенно если у них нет желания или возможности приобретать аккумуляторы.
Что касается плюсов гелиобатарей, то главный из них — экономия на электричестве при его частом использовании. Счета за электричество из национальной сети уменьшатся сразу после установки таких батарей. Также солнечные панели не требуют частого ухода, их износ минимален. Срок службы оставляет 25–30 лет, и по истечении этого срока затраты на установку полностью окупятся.
По оценкам Фонда энергосбережения (The Energy Saving Trust), выработка энергии из солнечного света в одном доме способствует сокращению выбросов углекислого газа на 1,2–1,7 тонны в год. А в разгар газового кризиса и угрожающего роста счетов на электроэнергию солнечные панели становятся более приемлемым вариантом экономии, чем раньше.
Ангелина Маккалла
