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.
Экология битума
Битум - уникальный строительный материал, встречается в открытых месторождениях, расположенных в Канаде и островах Карибского бассейна. В нашей стране природный битум в небольших количествах добывают из подземных источников в Коми и Татарстане.
Природный битум, подобно глине и камню, сопровождает жизнь человека с древних времен. Уже десятки тысяч лет назад люди оценили высокие адгезионные и гидроизоляционные свойства природного битума (или «земляной (горной) смолы»). Природный битум использовали при строительстве жилья, гидроизоляции лодок, устройстве подземных хранилищ для воды.
В эпоху ранних царств Междуречья и Египта природный битум использовался для создания настоящих шедевров прикладного искусства и архитектуры. До наших дней дошли Урский штандарт, мозаичное панно из Аль-Убейда. Известна легенда о седьмом чуде света – каскадных садах Семирамиды, гидроизоляция этого сооружения была сделана из природного битума.
В первой половине 19 века первые асфальтобетонные дороги были построены в США на основе смеси природного битума и песка. Однако, готового битума в природе мало, поэтому с развитием технологий тяжелые остатки нефтепереработки, в первую очередь - гудрон стал сырьем для изготовления искусственного битума в промышленных масштабах.
Сегодня битум производят преимущественно путем окисления гудрона-тяжелого остатка вакуумной перегонки нефти. Гудрон нагревают до +250 С и продувают через него воздух в специальных колоннах- конверторах. Этот процесс называется окислением, так как кислород воздуха является инициатором изменений свойств гудрона (повышении вязкости и жесткости).
Другой способ получения битума - отгонка лёгких фракций из тяжелых остатков нефти. Так получают Остаточный битум.
Компаундированный битум получают путем смешивания тяжелых остатков нефти.
В стройиндустрии кровельный битум – универсальное сырье для создания уникального ассортимента материалов гидроизоляции: праймеров, мастик, герметиков, рулонной гидроизоляции, «жидкой резины», гибкой черепицы, фасадной плитки.
С целью улучшения эксплуатационных свойств битумов часто используют различные добавки: полимеры, масла, дегти, легкие нефтяные фракции.
В России на кровлях и фундаментах ежегодно монтируется около 480 млн квадратных метров рулонных битумных и полимерно-битумных материалов (по данным открытых источников). Сотни тысяч тонн мастик, герметиков и праймеров применяют при устройстве гидроизоляции внутренних помещений, подземных конструкций, стен и кровель.
Но возникает вопрос – насколько экологически безопасны битумные материалы? И не только сами материалы, но и их производство?
За прошедшие 100 с лишним лет битумы были хорошо изучены с точки зрения воздействия на окружающую среду и организм человека. В соответствии с ГОСТ 9548-74 нефтяные битумы являются малоопасными веществами и по степени воздействия на организм человека относятся к 4-му, самому низкому классу опасности.
Важно отметить – во всех современных гидроизоляционных материалах применяют битум, модифицированный полимерами на основе СБС-стирол-бутадиен-стирольного термоэластопласта, либо альфа-полиолефинов. За счет модификации битум становится высокоэластичным материалом, увеличивается его теплостойкость, долговечность, износостойкость, улучшаются низкотемпературные характеристики. Например, в рулонных полимерно-битумных материалах ТЕХНОНИКОЛЬ премиальных и бизнес марок: ТЕХНОЭЛАСТ и УНИФЛЕКС битум модифицирован СБС полимером.
Благодаря модификации материалы ТЕХНОЭЛАСТ сохраняют гибкость при температуре окружающего воздуха до -25 С, и обладают теплостойкостью до +100 С. Гибкость марки УНИФЛЕКС составляет – 20 С, теплостойкость +100 С. Теплостойкость отдельных битумно-полимерных материалов ТЕХНОНИКОЛЬ составляет до +140 С. Таким образом, материалы могут эксплуатироваться во всех климатических зонах Евразии: от крайнего Севера, до районов с засушливым и тропическим климатом.
Рулонные материалы гидроизоляции ТЕХНОНИКОЛЬ производятся на прочной основе (полиэфир, стеклоткань или стеклохолст), которая повышает сопротивляемость материала к механическим нагрузкам и снижает риск его повреждения. На поверхность материалов верхнего слоя (марки К) нанесена минеральная посыпка для защиты от ультрафиолета.
Срок эксплуатации битумно-полимерных материалов Корпорации ТЕХНОНИКОЛЬ составляет 40 лет и более (материалы бизнес- класса) при условии правильного монтажа, эксплуатации и обслуживания.
Корпорация ТЕХНОНИКОЛЬ сегодня экспортирует из России более 50 млн м2 рулонных битумно-полимерных мембран в различные страны мира, в том числе, в государства с очень жесткими экологическими требованиями (Скандинавия, Западная Европа, США). При этом материалы для внешнего и внутреннего рынка РФ часто отличаются лишь маркировкой - принципиальной разницы в составе большинства продукции нет.
Еще один показатель экологичности стройматериалов – возможность их эффективной утилизации и вторичной переработки. Отработавшие свой срок битумно-полимерные материалы успешно перерабатываются на специальных установках и в последующем используются как добавки при изготовлении различных стройматериалов с битумным вяжущим.
Однако в современном мире недостаточно произвести экологически безопасный продукт. Само производство также должно быть максимально безопасным и эффективным с точки зрения потребления ресурсов и защиты окружающей среды.
Каких результатов удалось достичь предприятиям направления «Битумные материалы и гранулы» ТЕХНОНИКОЛЬ за прошедшие несколько лет?
Все заводы данного направления в 2020 году сократили выбросы СО2 (углекислого газа) на 17%, снизили потребление электроэнергии на 6%, водопотребление почти на 9%. В целом за 5 лет водопотребление сократилось на 42%. И в прошедшем году отмечен самый низкий за пять лет объем потребления воды.
За счет замены воздушных компрессоров на более эффективные (с инверторной технологией) и установки частотных преобразователей на электродвигатели с 2016 по 2020 годы удалось сократить потребление электроэнергии на 10%.
В этом году на предприятиях компании ТЕХНОНИКОЛЬ реализуются проекты по сокращению выбросов пыли. Система пылеподавления состоит из генераторов водяного тумана, которые создают в разгрузочных зонах плотную водяную завесу из мельчайших капель. В результате система позволяет снизить уровень запыленности на 80%.
Отдельно стоит отметить успехи предприятия «ТехноНИКОЛЬ-Выборг», которое ежегодно перерабатывает до 5000 тонн в год вторичных полимерных модификаторов. Также «ТН-Выборг» стало первым предприятием ТЕХНОНИКОЛЬ, которое внедрило плазмокаталитическую установку очистки газов «PLAZKAT» российского производства.
Специалисты компании поработали и над снижением уровня шума работающего оборудования – для этого агрегаты завода в Выборге были покрыты специальным шумоизолирующим составом.
Компания методично двигается к цели – стать мировым лидером в производстве не только экологически безопасных материалов, но и обеспечить максимальную чистоту самого производства.
Стальные конструкции: основные тренды 2021 года
Сегодня состояние рынка стальных конструкций волнует не только непосредственных участников отрасли, но и потребителей. Выросшие цены на металл повлияли на состояние всей строительной отрасли, коснулось это и частных лиц. Поэтому состояние рынка стальных конструкций волнует все мировое сообщество. Ассоциация развития стального строительства продолжает знакомить вас с перспективами развития отрасли и возможностями применения металлоконструкций.
"Сегодня стальное строительство - одно из самых перспективных направлений строительной отрасли. Потенциал использования металла огромен. Это особенно актуально в условиях мирового кризиса, поскольку сталь имеет ряд преимуществ перед другими конструкциями. Потребность в строительстве общественных зданий, школьных и дошкольных учреждений, объектов культуры и спорта, коммерческих зданий и сооружений, складских и сельхоз помещений различного назначения, объектов жилого строительства и медицинских учреждений остается на прежнем уровне несмотря на экономические спады. Поэтому главный тренд 2021 года, который, мы уверены, сохранится и в последующие годы - это массовое расширение и углубление применения металлоконструкций по всем направлениям", - говорит глава АРСС Александр Данилов.
С руководителем Ассоциации согласны и другие эксперты отрасли. Рост потребления стали в строительстве имеет широкие перспективы. По оценке директора ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко Ивана Ведякова, росту применения металлоконструкций во многом будет способствовать реализация масштабных государственных инфраструктурных проектов. "Одним из ведущих трендов 2021 года я бы назвал рост цен на металл. Это сопровождалось увеличением спроса на него. В России сейчас строится много домов из монолитного железобетона, что сопряжено с повышенным расходом арматуры, которая за последние несколько месяцев подорожала в два раза. Еще сильнее возросли цены на балку, что стало серьезной проблемой для производителей металлоконструкций. Новые своды правил, утвержденные в 2020-2021 гг., способствуют расширению использования металла в строительстве. После принятия СП
«Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения» проектировщики начали перестраховываться, закладывая в проекты больше металла", - отметил Иван Ведяков. Еще одной проблемой эксперт назвал проект нового ГОСТа по строительной стали, из которого металлурги хотят убрать некоторые требования к прокату. Если он будет утвержден в таком виде, строителям самим придется подтверждать перед Главгосэкспертизой характеристики стальной продукции, что потребует дополнительных затрат.
Еще одним общемировым трендом, за которым следует и Россия, можно назвать высотное строительство. В условиях дорожающих цен на землю девелоперам выгоднее строить многоэтажные здания и небоскребы. Возведение таких объектов чаще всего используется с применением стальных конструкций.
"Накопленный опыт позволяет говорить об эффективности использования сталей повышенной прочности. Современные производители стали, в том числе в РФ, способны обеспечить строительство конструкций с пределами текучести до 900 МПа. А современные нормы РФ позволяют делать расчеты конструкций с самыми высокими пределами текучести. запроектировать без применения сталежелезобетонных конструкций. Комбинирование высокопрочных сталей и бетонов позволяет сооружать уникальные здания со сравнительно компактными поперечными сечениями. Применение сталежелезобетонных конструкций вместо «традиционных» (в которых стальная и железобетонная часть работают раздельно) позволяет снизить металлоемкость конструкций перекрытий на 14-26% в зависимости от пролета. То есть в полной массе здания – экономия может составить 8,8-16,4% веса конструкций. Кроме того, мировые тренды использования комбинированных конструкций показывают, что потребление стали для колонн, перекрытий многоэтажных зданий будут только расти. Поэтому важно совершенствовать нормативные документы в этом направлении, проводить экспериментальные исследования новых форм конструкций", - пояснят к.т.н., заведующий лабораторией высотных зданий и сооружений ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко Денис Конин.
Также, по прогнозам участников рынка, сталь будет шире применяться не только в уже освоенных инфраструктурном и нежилом строительстве, но и в относительно новом сегменте жилого строительства.
"Жилая недвижимость сейчас строится в основном с применением арматуры, но на примере других стран мы видим потенциал для металлоконструкций. В России есть запрос на скорость, экологичность и качество строительства, которые не всегда может гарантировать монолит. С другой стороны, согласно нацпроекту «Жильё и городская среда» к 2030 г. в сегменте массового жилого строительства должно возводиться 80 млн м² ежегодно (сейчас менее 50 млн м² в год). При сегодняшних технологиях монолитного и панельного домостроения, равно как и имеющихся производственных мощностях, — достижение цели кажется затруднительным. В свою очередь, современные технологии и решения в области стального строительства, а также накопленный профессиональный опыт, позволят обеспечить достижение заявленных целей", - говорит начальник управления по развитию стального строительства «Северстали» Роман Сенаторов.
В сфере индивидуального жилого строительства уверенно растёт количество проектов по технологии лёгких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК). Этот сегмент будет развиваться и дальше, особенно благодаря расширенной в 2021 г. программе льготного ипотечного кредитования.