Герасимюк Оксана

Сонячна енергія – джерело життя на Землі. Це світло і тепло, без яких не може жити людина. При цьому існує мінімальний рівень сонячної енергії, при якому життя людини є комфортним. Під комфортом в даному випадку мається на увазі не тільки наявність природного освітлення, але і стан здоров’я – недостача сонячного світла призводить до різних захворювань. Крім того, енергія сонця може бути використана не тільки для забезпечення комфортного існування живих істот (людини, рослин, тварин) світлом і теплом, а й для отримання електро- і теплової енергії.

Кількісним показником при оцінці потоку сонячної сонячної енергії служить величина, яка носить назву інсоляція. Вікіпедія дає таке визначення цієї величини:

Інсоляція (лат. In-sol від in – всередину + solis – сонце) – опромінення поверхонь сонячним світлом (сонячною радіацією), потік сонячної радіації на поверхню; опромінення поверхні або простору паралельним пучком променів, що надходять з напрямку, в якому видно в даний момент центр сонячного диска.
Інсоляція вимірюється числом одиниць енергії, падаючої на одиницю поверхні за одиницю часу. Зазвичай інсоляцію вимірюють в кВт * год / м2. На наступному малюнку наведено дані про величину інсоляції в різних регіонах світу.

Величина інсоляції залежить від висоти Сонця над горизонтом, від географічної широти місця, від кута нахилу земної поверхні, від орієнтації земної поверхні по відношенню до сторін горизонту.

Показник інсоляції впливає на безліч областей нашого життя, починаючи від комфортності проживання та закінчуючи енергетикою.

Інсоляція і комфорт проживання

Комфорт проживання людини в тому чи іншому приміщенні багато в чому пов’язаний з природним освітленням, яке має місце в даному приміщенні протягом доби. Однак показники інсоляції житлових приміщень і рівень освітленості не є тотожними один одному.

Слід зауважити, що інсоляція – це не тільки кількість сонячного світла, що потрапляє в житлове приміщення протягом доби або, як прийнято при нормативних розрахунках, протягом календарного нормативного періоду, це ще і наявність або відсутність фотобіологічні ефекту – природне опромінення приміщень має бактерицидну дію, тобто, якщо приміщення добре освітлюється сонцем, воно є куди як більш корисним для здоров’я.

Дослідження показали, що для ефективної протидії таким спробам досить, щоб інсоляція приміщення становила близько 1,5 годин в день, причому навіть не кімнати, а підвіконня.

З метою забезпечення комфорту проживання і здоров’я населення, встановлюються санітарно-гігієнічні норми рівня інсоляції житлових приміщень, відповідно до яких ведеться будівництво житлових і адміністративних будівель (нормування можна перевірити в розділах, присвячених інсоляції.

Санітарні норми і правила встановлюють нормативну тривалість інсоляції в одиницях часу, яка повинна забезпечуватися для відповідних будівель і споруд.

Нормативна інсоляція залежить від географічної широти. Виділяється три умовних зони – північна (на північ від 58 град. пн.ш.), центральна (58 град.п.ш. – 48 град.п.ш.) і південна (на південь від 48 град.п.ш.) – для яких розрахунковим чином визначається тривалість інсоляції. У зв’язку з цим особливого значення набувають методи розрахунку інсоляції.

В даний час існує декілька методів розрахунку інсоляції, які застосовуються для розрахунку інсоляції житлових приміщень в містобудуванні: геометричні та енергетичні. За допомогою геометричних методів визначається напрямок і площа перетину потоку сонячних променів в певний час дня і / або року. За допомогою енергетичних методів визначається щільність потоку сонячних променів, опромінення і експозиція поверхні в різних одиницях вимірювання (ці одиниці виміру можуть бути світлові, бактерицидні, ерітемние і так далі).

Розрахунок інсоляції житлових приміщень проводиться як вручну, так і за допомогою спеціалізованих програм. Для цього можна використовувати «Солярис» – програма для розрахунку інсоляції. Також активно застосовується японська програма MicroShadow for ArchiCA, що використовує ручний метод ортогонального проектування. Однак, деякі фахівці стверджують, що дані програми не дозволяють зробити досить коректний розрахунок, на який можна було б з упевненістю спиратися при проектуванні будинків і споруд, і в результаті рівень інсоляції може не відповідати бажаному і необхідного для комфортного проживання.

Інсоляція і сонячна енергетика

Під час постійного подорожчання енергоносіїв традиційного виду особливе значення отримує альтернативна енергетика, однією з найважливіших частин якої є використання сонячної енергії, тобто – сонячна енергетика.

Цей вид енергетики заснований на використанні сонячної енергії з перетворенням її в електричну і / або теплову енергію за допомогою відповідних приладів. Для уловлювання енергії сонця використовуються фотоелектричні панелі, і їх ефективність безпосередньо залежить від рівня інсоляції в даній місцевості.

Очевидно, що чим вище інсоляція, тим ефективніше працюють геліопанелі, так як на них надходить більше енергії. Сучасні сонячні панелі оснащені двигунами, які дозволяють їм розгортатися і слідувати за сонцем протягом світлового дня (на зразок того, як повертаються за сонцем багато квіти) – це підвищує ККД сонячних електростанцій.

У південних широтах, де рівень інсоляції високий практично протягом всього календарного року, геліоелектростанції можуть бути використані самі по собі, в той час як в тих широтах, де рівень інсоляції знижений, а також де кліматичні умови припускають наявність великої кількості туманних і похмурих днів, доводиться до фотоелектричних панелей додавати не тільки акумулятори, але і електростанції іншого типу – вітряні або гідроелектростанції, які підключаються до вироблення електроенергії (і / або теплової енергії), коли рівень інсоляції в даній місцевості істотно знижує продуктивність геліоелектростанцій.

Особливо широко останнім часом поширилися фотоелектричні панелі, призначені для отримання енергії в індивідуальних котеджах і заміських будинках. Вони використовуються в поєднанні з вітрогенераторами, що дозволяє власникам такої заміської нерухомості постійно отримувати власну електроенергію і не залежати.

Сонячна інсоляція в Україні

Як видно з таблички рівень сонячної інсоляції на території України є досить різноманітним. Кількість сонячного випромінювання варіюється не лише по території країни, а й в залежності від пори року. При виборі сонячних панелей для дому потрібно враховувати показники інсоляції як річні так і помісячні, щоб мати завжди необхідну кількість електроенергії

Технологічний процес виготовлення сонячних панелей складається з кількох етапів:

1 етап

Перше з чого починається будь-яке виробництво, в тому числі і виробництво сонячних батарей – це підготовка сировини. Основною сировиною в даному випадку служить кремній, а точніше кварцовий пісок певних порід. Технологія підготовки сировини складається з 2 процесів:

1. Етап високотемпературного плавлення.
2. Етап синтезу, що супроводжується додаванням різних хімічних речовин.

Шляхом цих процесів досягають максимального ступеня очищення кремнію до 99,99%. Для виготовлення сонячних батарей найчастіше використовують монокристалічний і полікристалічний кремній. Технології їх виробництва різні, але процес отримання полікристалічного кремнію менш витратний. Тому сонячні батареї, виготовлені з цього виду кремнію, обходяться споживачам дешевше.

Після того, як кремній пройшов очищення, його розрізають на тонкі пластини, які, в свою чергу, ретельно тестують, виробляючи замір електричних параметрів за допомогою світлових спалахів ксенонових ламп високої потужності. Після проведених випробувань пластини сортують і відправляють на наступний етап виробництва.

2 етап

Другий етап технології являє собою процес пайки пластин в секції, з подальшим формуванням з цих секцій блоків на склі. Для перенесення готових секцій на поверхню скла використовують вакуумні держаки. Це необхідно для того, щоб виключити можливість механічного впливу на готові сонячні елементи. Секції, як правило, формують з 9 або 10 сонячних елементів, а блоки – з 4 або 6 секцій.

3 етап

3 етап – це етап ламінування. Спаяні блоки фотоелектричних пластин ламінують етиленвінілацетатною плівкою і спеціальним захисним покриттям. Використання комп’ютерного управління дозволяє стежити за рівнем температури, вакууму і тиску. А також програмувати необхідні умови ламінування в разі використання різних матеріалів.

4 етап

Монтування. На останньому етапі виготовлення блоків сонячних батарей монтується алюмінієва рама і сполучна коробка. Для надійного з’єднання коробки і модуля використовується спеціальний герметик-клей. Після чого сонячні батареї проходять тестування, де вимірюють показники струму короткого замикання, струму і напруги точки максимальної потужності і напруги холостого ходу. Для отримання необхідних значень сили струму і напруги можливе об’єднання не тільки сонячних елементів, але і готових сонячних блоків між собою.

Яке обладнання необхідне?

При виробництві сонячних панелей необхідно використовувати тільки якісне обладнання. Це забезпечує мінімальні похибки при вимірюванні різних показників в процесі тестування сонячних елементів і зібраних сонячних панелей. Надійність обладнання передбачає довший термін експлуатації, отже, мінімізуються витрати на заміну вийшлого з ладу обладнання. При низькій якості можливі порушення технології виготовлення.

Основне обладнання, яке використовується в процесі виробництва сонячних панелей:

1. Стіл для перемещення. Незамінний при здійсненні різних дій з сонячними модулями. Обрізка країв, укладка, установка сполучної коробки – ці та багато інших операцій виробляють виключно на даному столі. Закріплені на стільниці неметалеві кульки дозволяють без будь-яких зусиль переміщати модуль, не пошкоджуючи його при цьому.
2. Ламінатор для сонячних батарей. Як зрозуміло з назви, дане обладнання застосовується при ламінації сонячних елементів. Всі необхідні параметри підтримуються спеціальними контролерами. Є можливість вибору як повністю автоматизованого режиму роботи, так і ручного управління.
3. Інструмент для різання кремнію. Розрізання здійснюється волоконним лазером. Розміри задаються програмно.
4. Машина для очищення скла. Устаткування використовується для очищення скляних підкладок. Процес відбувається в кілька етапів. Спочатку скло очищають з використанням миючого засобу, для чого застосовують нейлонові щітки, а потім споліскують деионизированной водою в 2 етапи. Потім скляні підкладки сушать холодним і гарячим повітрям.

Хто постачає в Україну сонячні батареї?

Сонячні панелі – справа дуже перспективна, а головне прибуткова. Кількість куплених сонячних батарей збільшується з кожним роком. Що забезпечує постійне зростання обсягів продажів, в якому зацікавлений будь-який завод з виробництва сонячних батарей, а їх по всьому світу чимало.

На першому місці стоять, звичайно, китайські компанії. Низька вартість сонячних батарей, які китайці експортують по всьому світу, привела до появи безлічі проблем у інших найбільших компаній. За останні роки про закриття провадження сонячних панелей оголосили, щонайменше, 4 німецьких бренди. Почалося все з банкрутства компанії Solon, після якої закрилися Solarhybrid, Q-Cells і Solar Millennium. Американська компанія First Solar також заявила про закриття свого заводу у Франкфурті-на-Одері. Хоча, з огляду на те, що китайські сонячні батареї коштують, наприклад, майже в 2 рази дешевше німецьких аналогів, дивуватися тут нема чому адже якість їх набагато гірша.

Перш ніж встановлювати на даху свого будинку сонячні батареї, природно потрібно зробити розрахунок самої батареї, а також всіх елементів мережі. Правильність усіх розрахунків дозволить уникнути зайвих витрат, отримати максимальний ефект від впровадження, а також забезпечити нормальне функціонування всієї системи.

Отже, щоб дізнатися, панелі якої потужності будуть потрібні для установки, необхідно знати потужність всіх електроприймачів в будинку. Якщо від сонячних батарей буде запитана тільки частина приймачів, то відповідно потрібно знати потужність тільки цих приймачів.

Потужність завжди можна подивитися в паспорті приймача.
Припустимо, ми хочемо живити кілька лампочок і насос від сонячної панелі. Складаємо невелику табличку, де вказуємо потужність, число годин роботи, добове споживання і суму всіх електроприладів.

Перемножуємо стовпчики і отримуємо споживання за добу.

Наступний крок – це визначення річної кількості сонячної радіації, характерне для даного регіону. Інформацію можна знайти в інтернеті або у метеорологів. Це таблиця, в якій зазначений рівень сонячної радіації (кВт · год / м² / день) з розбивкою по місяцях.
Згідно таблиці найкращий рівень інсоляції буде в червні місяці, а найгірший – у грудні.
Наше добове споживання становить 4800 Вт · год. Також врахуємо втрати на розряд-заряд акумулятора (трохи пізніше я зупинюся на цьому детальніше). Величину втрат приймемо 20%.

W = 4800 × 1,2 = 5760 Вт · год = 5,76 кВт/год

Припустимо, нам треба встановити панелі потужністю 260 Вт і номінальною напругою 24 В. Визначимо скільки здатна виробити електроенергії в добу одна така панель влітку і взимку.

(W = k Pw E / 1000). 1000 Вт / м2 – це інтенсивність сонячної радіації, при якій панелі тестуються. На виході отримуємо Вт/год.
W = 0,5 × 260 × 5,09 = 661,7 Вт/год.
W = 0,7 × 260 × 0,69 = 125,5 Вт/год,
де 0,5 і 0,7 поправочні коефіцієнти для літнього і зимового періоду відповідно.
Ділимо отримані значення на максимальну потужність панелі і округляємо:
N = 5760 / 661,7 = 8,7 шт.
N = 5760 / 125,5 = 45,8 шт.
Виходить, що влітку для забезпечення ел. енергією заданого навантаження знадобиться 8 панелей, взимку ж таких панелей знадобилося б 45. Тобто в зимовий час 8 панелей не зможуть повністю забезпечити ел. енергією обрані електроприлади.
Ми зробили досить грубий розрахунок, але в будь-якому випадку суть його така. На практиці в залежності від ситуації беруть до уваги кут нахилу панелей, поворот і т.д., і вводять поправочні коефіцієнти.

Одним з переваг батарей є те, що їх поступово можна нарощувати, збільшуючи тим самим потужність. Спочатку можна поекспериментувати з батареями невеликої потужності, а потім збільшити їх кількість.