Солнечные батареи
Солнечные батареи относятся к альтернативной энергетике, позволяющей получать дешевое электричество. Это очень перспективное направление из-за неисчерпаемости потока солнечных лучей. Батареи имеют вид плоских панелей, устанавливаемых в местах наиболее сильного падения лучей Солнца. Эффективность метода получения энергии позволяет вести ее использование во множестве сферах деятельности, что является серьезным заделом на будущее, поскольку стандартные ресурсы постепенно исчерпываются.
Устройство и принцип действия
Основу солнечной батареи составляют полупроводниковые устройства, способные преобразовывать падающие лучи в электрический ток. Производимые солнечные батареи бывают разных размеров, что зависит от места их установки. Масштабное оборудование крепится на крышах домов или автомобилей, а более мелкие приборы встраиваются в микрокалькуляторы. Обычно большие солнечные панели сверху покрываются стеклом. Это необходимо для защиты их от воздействия внешней среды и фотонов, которые обладают чересчур мощной энергетикой.
Устройство приборов
В состав солнечной батареи включены следующие элементы:
- Фотовольтаические ячейки. Данные компоненты выполняют основную функцию в батарее. Их задача состоит в преобразовании потока лучей в электричество с помощью фотовольтаического эффекта. Его суть заключается в формировании электрического заряда, что обеспечивается свойствами полупроводникового материала.
- Абсорбер. Это специально изготовленный из кремния слой, обладающий способностью поглощать солнечный свет с последующей передачей на фотовольтаическую ячейку для преобразования его в электричество.
- Покрытие. Оно необходимо для того, чтобы защищать фотовольтаические ячейки от влияния непогоды и механических повреждений.
- Стекло. Кроме защитной функции оно выполняет еще роль изоляции для сохранения внутри ячейки тепла.
- Контактные площадки. С помощью таких металлических элементов обеспечивается связь между фотовольтаические ячейками и проводами.
- Провода. Формируют связь между всеми элементами солнечной батареи.
- Инвертор. Проводит изменение постоянного напряжения в переменную величину. Это требуется для того, чтобы обеспечить питание электрических приборов.
- Аккумулятор. Является емкостью, где хранится избыток вырабатываемой энергии.
- Контроллер заряда. Устройство, необходимое для контроля величины заряда аккумулятора.
Чтобы солнечная батарея работала нормально, все компоненты должны работать в полном взаимодействии.
Принцип действия
Принцип работы солнечной батареи основывается на фотовольтаическом эффекте. Суть его заключается в том, что под воздействием света определенные материалы способны создавать на своей поверхности напряжение, что сопровождается выработкой электричества.
Происходит это за счет того, что световые фотоны выбивают из атомов отрицательные электроны, превращая их в положительно заряженные ионы. После этого формируется электрический ток, представляющий собой движение положительно и отрицательно заряженных частиц.
Работа солнечной батареи состоит в следующем:
- После попадания света на солнечную панель происходит его поглощение кремниевыми ячейками.
- Электроны выбиваются из атомов и становятся свободными. Одновременно они вместе с положительно заряженными ионами переходят в возбужденное состояние.
- Все образовавшиеся частицы начинают свое направленное движение между контактными пластинами через полупроводник. Как результат формируется электрический ток, перемещающийся в дальнейшем по электрическим сетям. При этом его излишки собираются в аккумуляторной батарее.
Что представляют собой электрические сети и как в них поступает электроэнергия, можно узнать из этой статьи.
Разновидности оборудования
Производителями выпускается несколько разновидности солнечных батареи, каждая из которых обладает своими особенностями:
- Монокристаллические. Изготавливаются такие батареи из чистого кремния. Сначала материал расплавляется, а после отвердевания разделяется на пластинки толщиной 300 мкм. Все ионы и электроны в таких батареях обладают хорошей эффективностью, что отражается на высоком КПД оборудования. В пластинках вставлены электроды, которые выглядят в виде сеток. Монокристаллическое оборудование обычно окрашивается в темно-синий или черный цвет. Это качественные изделие со сроком службы до 50 лет.
- Поликристаллические. Основу солнечной батареи составляет не цельный кристалл кремния, а множество его маленьких кусочков. Это значительно удешевляет оборудование, но и делает его работу менее эффективной, что выражается в пониженном КПД, равном 13-15%. За счет более низкой цены на такие панели присутствует увеличенный спрос.
- Тонкопленочные. В состав данного типа оборудования входит множество разных элементов, среди которых кадмий и одна из разновидностей кремния. Оборудование значительно уступает предыдущим двум видам, но имеете хорошую гибкость, и может быть установлено на любой поверхности. Популярность таких батарей выражается в том, что они могут функционировать при любой погоде, включая облачность или низкое освещение.
- Органические. Здесь исходными составляющими могут быть различные полимеры, а также углерод. Оборудование обладает эффективностью, но имеет невысокий срок службы и пока не получило широкого распространения.
- Нанокристаллические. Для изготовления этого типа батарей применяется новаторская технология. В качестве основы используются наночастицы элемента кремний. Полученные фотоэлементы характеризуются качеством, что отражается на их долговечности и эффективности, но данный метод еще не совершен для полноценной эксплуатации.
Из всех видов солнечных батарей наибольшей непопулярностью пользуется поликристаллический вариант и в первую очередь это связано с его доступностью по цене.
Характеристики солнечной батареи
Все солнечные батареи характеризуются следующими параметрами:
- Мощность. Это основной показатель солнечной батареи. Он измеряется в ваттах и указывает, сколько электроэнергии производит данная солнечная панель за единицу времени.
- Напряжение. Данная величина, измеряемая в вольтах. Она фиксирует разность потенциалов между точками батареи и может равняться 12, 24 или 48 В.
- Ток. Здесь говорит о количестве электричества, которое в течение единицы времени протекает через панель.
- Эффективность преобразования. Определяется отношением полученной на выходе электрической энергии к количеству поглощенных батареей солнечных лучей. Диапазон может составлять 5-25%.
- Размер. В зависимости от типа батареи он может составлять от 1 м² до 6 м².
- Вес. Масса солнечных батарей достигает 10-50 кг.
- Рабочая температура. Чтобы солнечная панель работала эффективно, данный интервал должен составлять от (-40)° до (+85)°. При увеличении этого параметра отдача панелей может снижаться
- Срок эксплуатация. При хорошем обслуживании в среднем солнечная батарея используется на протяжении 30 лет. При этом у лучших вариантов это срок увеличивается до 50 лет.
Также важным параметрам является тип ячейки. Он зависит от вида панели.
Правила выбора
При желании установить солнечную батарею необходимо принимать во внимание следующие факторы:
- Потребность в электроэнергии. После определения этой величины необходимо добавить еще до 30% на случай потерь.
- Тип батареи. Здесь в первую очередь нужно ориентироваться на размер финансов. Наиболее эффективные монокристаллические панели, но они и стоят дорого. Если средств недостаточно, то стоит обратить внимание на поликристаллический или тонкопленочный вариант.
- Мощность. Это основной параметр, на основании которого выбирается солнечная батарея. Мощности должно быть достаточно, чтобы панель обеспечивала выработку нужного количества электричества для дома.
- Место установки. Обычно солнечные батареи устанавливают на крыше, поскольку данная территория максимально освещенная. При этом нужно ориентироваться на такой параметр как угол наклона поверхности, который должен составлять в районе 35-45°.
- Площадь панелей. Данная величина определяется расчетным способом. Для этого нужно взять отношение всех потребностей в электричестве к выработке энергии единицы панели за сутки.
Обязательно необходимо обратить внимание на производителя. Это должна быть авторитетная компания с большим количеством положительных отзывов.
Эксплуатация и обслуживание
После установки солнечных батарей, чтобы они прослужила долго, необходимо уделять внимание их обслуживанию:
- Постоянно исследовать панели на предмет наличия загрязнений. Поверхность должна быть очищена от пыли и осевших насекомых. Эффективность работы батарей увеличивается в том случае, когда их поверхность чистая.
- Во время очищения панелей от грязи следует использовать только теплую воду и мягкую ткань.
- Регулярно следить за качеством работы инвертора, который преобразовывает выработанный постоянный ток в переменную величину.
- Периодически вести проверку надежности работы всех систем.
- С течением времени менять отдельные вышедшие из строя элементы для обеспечения высокой производительности системы.
При правильной эксплуатации и хорошем обслуживании солнечных батарей они прослужат несколько десятков лет и обеспечат дом дешевой электроэнергией.
Применение батарей
Солнечные батареи применяются в широких сферах деятельности:
- В системах электроснабжения автономного типа. Чаще всего устанавливаются в частных домах или дачах. Это часто делается в тех случаях, когда объекты удалены от центрального электроснабжения.
- Для освещения территорий. Сюда включаются уличные фонари, размещаемые в парках или вдоль улиц.
- В автомобилях. Обычно они крепится на крышах транспортных средств, и используются для зарядки аккумуляторов.
- Как возобновляемая энергетика. Оборудование устанавливается в ветросолнечных электростанциях и используется как источник энергии.
- В системах связи. Небольшого размера панели, встроенные в приборы, используются как источники питания.
- В бытовых приборах. Сюда относятся холодильники, вентиляторы и другие агрегаты, которые в качестве источника питания используют солнечную энергию. С этой целью в них встраиваются небольшие панели.
- В качестве источника питания при установке видеонаблюдения.
Кроме того, солнечные батареи уже начинают использоваться в глобальном плане. Они стали применяться в космонавтике и самолетостроении, что позволяет существенно экономить топливо.
Преимущества и некоторые недостатки
Солнечные батареи с течением времени становится все доступнее, поскольку цена на них постоянно снижается. Однако, покупая такие изделия, необходимо предварительно хорошо ознакомиться с преимуществами и недостатками панелей. К достоинствам солнечных батарей относятся:
- Экологическая безопасность. Работа солнечных батарей не приносит окружающей среде никакого вреда. Это является очень важным моментом, поскольку экология в современном мире играет решающую роль. Подробная информация об экономическом аспекте хорошо изложена в этой работе.
- Быстрая окупаемость. Рост стоимость электроэнергии наблюдается непрерывно. Что касается солнечных батарей, то здесь затраты присутствуют только в момент покупки и установки оборудования. Поскольку солнечная энергия является бесплатной, вложенный капитал очень быстро окупается.
- Простота использования. После окончания монтажа оборудования требуется только следить за его исправностью и вовремя устранять поломки. Это не несет больших затрат сил и времени.
Если обратить внимание на недостатки, то здесь стоит отметить большую стоимость оборудования. При этом следует помнить, что его окупаемость наступает очень быстро.
Солнечные батареи выгодно ставить только в регионах с продолжительным световым днем. При большой длительности ночи такое оборудование можно использовать только в качестве дополнительного источника электроэнергии.
На взлетной полосе
Аэродромные железобетонные плиты все чаще применяются при строительстве сверхпрочных дорог и площадок для тяжелой спецтехники.
С середины XX века советские заводы ЖБИ начали активно заниматься производством плит для аэродромов. Их номенклатурное название – плиты аэродромные гладкие (ПАГ) – сохранилось до наших времен. Массовый выпуск был обусловлен политической ситуацией. Государство нуждалось в большом количестве полевых военных аэродромов, которые должны иметь быстровозводимые взлетные полосы для приема тяжелой авиатехники. После распада СССР объемы производства ПАГ в России свелись к минимуму.
Однако сейчас выпуск этой продукции вновь начал расти, но в основном по вполне мирным причинам. Аэродромные плиты используют при строительстве и реконструкции взлетных полос гражданских аэропортов. Кроме того, их по достоинству оценили компании, возводящие сверхпрочные временные и постоянные автомобильные дороги, а также площадки для использования тяжелой строительной техники. К тому же такие плиты активнее стали использовать при строительстве морских портов, терминалов, крупных логистических комплексов.
Принять все
ПАГ должны соответствовать ГОСТ 25912.0-91 и ГОСТ 25912-2015. Они регулируют качество бетона и свойства плиты в целом. Сейчас выделяют три вида плит: ПАГ-14, ПАГ-18 и ПАГ-20. Отличаются они между собой показателем толщины (140, 180 и 200 мм). Все они рекомендованы для устройства постоянных и временных покрытий аэродромов, городских дорог и территорий с рабочей нагрузкой до 75 тонн на кв. м. При производстве этих изделий используется бетон марки B30 М400 с коэффициентом класса морозостойкости F200.
Как рассказали «Строительному Еженедельнику» в ООО «ЖБИ №1 Рыбацкое», главные преимущества ПАГ – прочность и долговечность. Принять они могут очень высокую нагрузку, в том числе моментальную. Кроме того, ПАГ имеют четкие пропорции по ширине и длине, а шероховатое покрытие создает хорошее сцепление колес с их поверхностью. Устанавливать, эксплуатировать и заменять конструкции можно в любое время года. За счет габаритов они удобны для транспортировки железнодорожным и автомобильным транспортом.
По характеристикам, рассказывают в АО «ПО «Баррикада», ПАГ идеально подходят для суровых, жестких и агрессивных условий эксплуатации. Для получения прочностных показателей и устойчивости к воздействию низких температур и воды при изготовлении этих изделий предусматривается предварительное натяжение рабочей продольной арматуры, а также использование бетонной смеси и собственно бетона особого состава. Укладка плит происходит в короткий промежуток времени, что является еще одним их преимуществом. Они соединяются в единую плиту за счет сварки, а также путем замоноличивания соединительных швов цементно-песчаным составом и битумной мастикой. Иногда новое покрытие укладывается на старое, тем самым повышая несущую способность взлетно-посадочных полос. При этом использование ПАГ может быть неоднократным, так как они, даже бывшие в употреблении, не теряют своих характеристик.
Новые возможности
Игроки рынка отмечают, что некоторые заводы ЖБИ имеют полувековую традицию выпуска ПАГ и по праву заслуживают высокую оценку качества производства. При этом некоторые предприятия сейчас совершенствуют выпуск аэродромных плит.
Так как ПАГ имеют свою специфику, их выпускают далеко не все производители ЖБИ. Тем не менее количество организаций, занимающихся данным направлением деятельности, растет. Коммерческий директор АО «ПО «Баррикада» Алексей Мицул помимо своего предприятия среди производителей в СЗФО выделяет ООО «СИБ Центр», ООО «ПТК-ДорСтрой», ООО «Перспектива», ООО «СТК-Модуль». Среди компаний из других регионов – ООО «ХК «Башбетон», ООО «ТПК «Очаковский комбинат ЖБИ», ООО «Моревский завод железобетонных изделий». Также присутствуют игроки рынка из Беларуси: комбинат ЖБИК (ОАО Оршанский Строительный трест №18), ОАО «Барановичский комбинат ЖБК».
По мнению специалистов, производителей ПАГ могло быть еще больше, но пока не сформировался рынок сбыта. Генеральный директор ООО «СТД» ЖБИ Сергей Нестеров полагает, что основная проблема – это отсутствие специалистов среди проектировщиков, которые умело могли бы задействовать новинки ЖБИ, если бы изучали процессы производства и технологии монтажа. «На сегодняшний день очень редко можно встретить хороших конструкторов, которые могут сделать сложные расчеты для применения ЖБИ в строительстве. До сих пор в производстве и сборке применяются технологии советских времен. Это хорошо и надежно. Но есть уже усовершенствованные технологии производства, обеспечивающие более высокое качество продукции. Однако проектировщики не задействуют такие изделия, и поэтому все приходится делать по старинке. Таким образом, страдают и заказчик, и производитель», – считает он.
На новом уровне
За счет внедрения «цифры» новые геодезические приборы стали более технологичными. Однако значительная часть такого оборудования производится в зарубежных странах и не всегда доступна по цене геодезистам.
За последние 10–15 лет рынок геодезических приборов значительно изменился. Уже использующееся специалистами оборудование получило электронную начинку. Также появились приборы, о которых ранее геодезисты даже мечтать не могли.
Быстрее и точнее
По словам генерального директора ООО «Геодезические приборы» Михаила Алексеева, в настоящее время при выполнении геодезических работ наблюдается тенденция повышения эффективности производства за счет внедрения цифровых технологий. Решению этой задачи и способствуют современные геодезические средства измерений, такие как электронные тахеометры, спутниковая аппаратура, лазерные сканеры. Они дают возможность проводить исследования более точно и в сжатые сроки.
Так, отмечает Михаил Алексеев, выпускаемые сейчас модели электронных тахеометров имеют безотражательный режим работы дальномерного канала. Причем у большинства моделей дальность измерений при использовании этого режима составляет не менее 500 м, а у некоторых – может достигать 2 км. Также у этих приборов существенно увеличился объем памяти, появилась возможность подключения внешних накопителей информации и отказа от кабельных соединений. Заметно расширилось применение роботизированных моделей, позволяющих дистанционно управлять процессом измерений и повышать производительность работ.
«Пользовательский сегмент спутниковой геодезической аппаратуры опирается сегодня на многочастотные и многосистемные спутниковые приемники интегральной конструкции, включающей и антенну GPS (GNSS), и элементы питания, и модемы, и модуль Bluetooth. Активно развиваются сети базовых станций, и открывается возможность работы с одним спутниковым приемником. Такие сети, в частности, созданы в Петербурге и Ленобласти», – отмечает Михаил Алексеев.
По словам экспертов, также в геодезическом сопровождении строительства начали активно использоваться комплексные системы, реализующие BIM-технологии. В качестве источников измерительной информации в этих системах используются лазерные 3D-сканеры, а также беспилотные летательные аппараты (БПЛА) с установленными на них различными датчиками, в том числе фотокамерами, сканерами и т. д.
Руководитель конструкторского бюро Optiplane Кирилл Яковченко рассказывает, что геодезисты уже сейчас применяют в качестве БПЛА с использованием методов фотограмметрии квадрокоптеры (для небольших площадей) и самолеты-планеры (для протяженных крупных объектов). «Для использования планера требуется квалификация пилота самолета, которой большинство геодезистов не обладает, и быстро получить ее невозможно. Поэтому геодезисты раньше вынуждены были для больших площадей либо нанимать пилотов, либо делать все по старинке наземным способом. Сейчас наиболее удобным и универсальным промышленным БПЛА является винтокрыл, который позволяет использовать все плюсы квадрокоптера и в то же время имеет большую дальность полетов для съемки больших площадей. На сложных участках гибридный дрон в 5–10 раз выгоднее квадрокоптера», – добавляет он.
Цена вопроса
Значительная часть современного высокотехнологичного геодезического оборудования производится в зарубежных странах. Как отмечают игроки рынка, процесс импортозамещения в данном сегменте развивается весьма слабо.
Сама стоимость ряда видов оборудования за последние 3-4 года несколько снизилась. Это связано с более глубоким и масштабным проникновением «цифры» во многие отрасли и, как следствие, удешевлением этого процесса. Тем не менее, новые приборы не всегда доступны по цене российским геодезическим организациям. Для небольших компаний приобретение такой техники – большие финансовые затраты, хотя потом они чаще всего окупаются.
Заместитель генерального директора ООО «Гильдия Геодезистов» Сергей Лазарев отмечает, что сейчас наиболее активно в геодезии применяются электронные тахеометры и приемники GPS, GNSS. По его мнению, за последние 10 лет и те, и другие действительно немного преобразились, хотя и без добавления инновационных функций, которые сильно ускорили бы работу. «Очень сильно подешевело GPS-оборудование. Так, 10 лет назад комплект стоил от 1 млн рублей, а теперь можно купить его за 150–300 тыс. И это при том, что стоимость отечественной валюты гораздо ниже, чем раньше. Электронные тахеометры также изменились в лучшую сторону, но без такого резкого снижения цены. Это связано с тем, что это – оптические приборы, которые требуют очень серьезного оптико-механического производства. Другое дело GPS, где почти весь прибор состоит из одной микросхемы. К сожалению, инновационные роботизированные оптические приборы плохо приживаются в России, ввиду кризисного состояния строительного рынка, а следовательно, и рынка инженерных изысканий. Так, на стройплощадках в Европе почти все тахеометры – новые и роботизированные, а у нас 5–15-летние модели. Другие приборы компании просто не могут себе позволить», – полагает он.
Сергей Лазарев также вспоминает, что недавно на выставке он видел простой квадрокоптер, но с установленной мобильной GPS-антенной. Таким образом, из-за дешевизны GPS-микросхем появились новые дешевые летательные аппараты для точной аэрофотосъемки небольших территорий (8–10 га). «Правда, вряд ли они смогут изменить ситуацию на рынке. Не так давно в Петербурге введен запрет на полеты БПЛА в городском пространстве, а получение разрешения – крайне утомительный и долгий процесс», – отмечает специалист.
Напомним, в 2016 году на федеральном уровне уже были ограничены возможности использования БПЛА. Согласно принятому закону, аппараты, взлетная масса которых более 250 г, должны быть зарегистрированы и сертифицированы. В госорган необходимо предоставить план полета и получить отметку о его согласовании. Однако в настоящее время эти правила использования БПЛА как гражданами, так и многими организациями не исполняются. Тем не менее, представители геодезических компаний опасаются, что их беспилотники стоимостью в несколько сотен тысяч рублей могут быть без предупреждения сбиты сотрудниками правоохранительных органов.
Мнение
Сергей Лазарев, заместитель генерального директора ООО «Гильдия Геодезистов»:
– Серьезного процесса импортозамещения в производстве приборов для геодезии не существует. На заводе УОМЗ в Екатеринбурге выпускают тахеометры. Также в России осуществляется производство приборов фирмы Leica, но это скорее очень крупная «узловая сборка». Ряд российских компаний производит GNSS-оборудование, заказывая комплектующие в Китае и США. В общем и целом, производства полного цикла приборов для гражданских геодезических работ у нас нет. Возможно, существует такое военное производство для ГЛОНАСС-приемников, но это не массовый сегмент. Выбор геодезиста очевиден – это использование импортной техники.