При выборе солнечной электростанции и анализе вариантов эксплуатации солнечных модулей важно определиться с возможностями получения гелиоэнергии.

Научные методы расчета

Учетом облучения поверхностей Земли лучами Солнца занимается наука «Инсоляция» (образовано от термина «in solis»).

Она учитывает направление параллельного пучка световых лучей от центра солнечного диска геометрическими и энергетическими методами, которые позволяют выявить для светового потока:

• направление;

• площадь сечения;

• зависимость от времени и сезона;

• плотность;

• экспозицию в световых единицах измерения.

Влияние излучения Солнца на Землю

Расположение солнечной батареи влияет на качество приема светового потока, определяется углом наклона ее поверхности относительно оси световых лучей. На практике она может быть ориентирована разными способами, но для расчетов выбирают три характерных варианта:

• плоскость горизонта земной поверхности;

• оптимальный угол;

• перпендикулярно оси светового потока.

Первый метод подразумевает размещение модулей параллельно плоскости водяного зеркала данной местности.

Ориентация под оптимальным углом заключается в стационарном закреплении солнечной батареи в усредненном, наиболее благоприятном положении для приема солнечной энергии. На этот способ оказывает влияние угол широты местности и наклона оси вращения Земли.

Третий вариант заключается в организации системы слежения за положением Солнца на небосклоне и автоматического поддержания перпендикулярного к нему направления плоскости гелиомодулей.

Краткие выводы

Для условий России методами инсоляции выявлены среднестатистические возможности для получения солнечной энергии в кВт/час с 1м ² площади за один календарный год. Они сведены в таблицу.

Для сведения. На практике реализованы технические способы, позволяющие получить больше энергии с одного квадратного метра гелиомодуля, основанные на заборе светового потока с соседних площадей.

С этой целью используются:

• схема поворачиваемых плоских зеркал, отражающих свет на солнечную батарею;

• поворотное зеркало линейной гиперболической формы с возможностью вращения только вокруг одной оси.

Оба метода эффективны, но требуют серьезные технические расчеты, сложную механику и большие финансовые вложения. Однако они позволяют понять, что повысить эффективность домашней солнечной станции можно простыми способами дополнительного направления отраженного света от соседних стен, строительных конструкций, экранов. Для этого достаточно окрасить их в светлые тона, отражающие световые волны.

Зачем учитывать рекомендации инсоляции

В статье «Как устроены и работают солнечные батареи» приводятся данные о работе фотоэлектрических преобразователей и отмечается их довольно низкий КПД. Производители такого оборудования постоянно изыскивают способы его повышения, проводят обширные научные исследования, меняют условия производства, но…революционных технологий пока не предвидится.

Солнечные модули стоят дорого, преобразуют незначительную долю получаемой энергии в электричество. Поэтому важно использовать все факторы с максимальной пользой.

Способ крепления

Для монтажа солнечных батарей изготавливается каркас с профильными алюминиевыми или стальными рамками. Можно использовать дерево, но оно, как ни защищай, подвержено усыханию, гниению, не так долговечно. Крепление батареи к рамке выполняется обычными локерными саморезами или винтовыми соединениями в наиболее удобном месте.

Ориентация

Человеческое зрение приспосабливается к восприятию окружающего мира таким образом, чтобы нам было комфортно. Наши глаза адаптируются к световому потоку, сглаживая его. Художники и фотографы, использующие световые эффекты, учитывают эти особенности зрения в своих работах.

Правильно оценить «на глаз» способ ориентации солнечной батареи в пространстве весьма проблематично. Делать это следует с помощью приборов, и учитывать, что Солнце наше северное полушарие максимально облучает с южного направления. Конечно, световая энергия приходит еще с востока и запада, но с большими потерями.

Поэтому располагать плоскость солнечной батареи следует перпендикулярно к южному направлению под углом к плоскости горизонта, который можно: установить один раз для круглогодичной эксплуатации; изменять в соответствии с временами года.

Для стационарного закрепления оптимально усредненное значение, совпадающее с параллелью (широтой). К примеру, для Ленинградской области устанавливается 60 градусов.

Метод регулирования более эффективен даже при ручной переустановке угла дважды в год (данные для той же местности):

• весной — до 45 ^о ;

• осенью — до 75 ^о

Использовать в домашней солнечной электростанции систему слежения невыгодно:

• большая парусность при сильных порывах ветра может привести к поломке ненадежной конструкции;

• стоимость системы сопоставима с ценой трех солнечных батарей;

• ожидаемый экономический эффект не превысит 40%.

Поэтому вместо следящей системы лучше приобрести дополнительный солнечный модуль.

Влияние температуры и снега

Фотоэлектрический преобразователь отрицательно реагирует на повышение температуры: снижает выходную мощность. А гелиомодули, подвергаясь облучению Солнца, нагреваются. Они, закрепленные наглухо на темных поверхностях, например, черном рубероиде, могут работать в режиме «сковородки» с температурой более +80 ^о С.

Поэтому, при монтаже на любых строительных конструкциях необходимо предусматривать свободное пространство со всех сторон фотоэлектрического преобразователя для естественной циркуляции воздуха и отвода тепла. Особенно актуально это для плоских поверхностей: бетонные плиты, листы жести. Волны шифера, ондулина обеспечивают подход воздуха, но в зимнее время их заносит снегом.

Удобно закреплять солнечные батареи на плоской крыше с ориентацией на юг или на открытой солнцу площадке. Для этого из металлических уголков сваривают раму в форме треугольной горизонтальной призмы, приподнятой над базовой поверхностью на высоту, превышающую возможные снежные заносы. Это так называемая пассивная защита от снега продуваемым пространством. Но в нем надо уменьшить количество упоров снизу или увеличить расстояние между ними.

Созданная рама надежно крепится болтовыми соединениями к силовым элементам строительной конструкции, а в нее устанавливаются солнечные модули.

В отдельных случаях хорошие результаты теплового режима можно создать опусканием крепления рамы ниже ската у крыши. Это один из эффективных методов создания хорошего воздухообмена.

Прямоугольная форма солнечной батареи вытянута в одну сторону. При вертикальном ориентировании увеличивается перепад температур между ячейками верхней и нижней стороны, что нежелательно. Выбирайте горизонтальное расположение.

Занимаясь свободным доступом воздуха, не забывайте о жесткости и прочности всей конструкции.

Любой способ снижения рабочей температуры фотоэлектрического преобразователя даже на один градус в течение года дает ощутимый прирост мощности.

Отраженный свет

Солнечная батарея принимает световой поток со всех сторон, включая тыльную поверхность (отраженным светом). Эксперименты в снежном поле показали, что за счет преобразования отраженного света задней стороной солнечной батареи можно с нее получить увеличение мощности до 30-50% и, в отдельных случаях, превысить заявленные характеристики производителя.

Что мешает устанавливать солнечные модули в незатененных местах, направлять на них дополнительно световой поток от светлых соседних строительных конструкций, окрашивать световозвращающими красками объекты, расположенные с обратной стороны?

Влияние сезона

Влияние излучения Солнца на времена года на Земле

Самые плохие условия для работы домашней солнечной электростанции создаются осенью:

• продолжительность светлого времени уменьшается;

• пасмурная погода и облака резко снижают солнечный поток;

• темная поверхность земли поглощает и не отражает свет.

Картина меняется после первого снега — увеличивается рассеянное освещение снежным покровом.

Однако плотно стоящие строения и деревья, особенно хвойный лес не отражают свет. В этой ситуации можно улавливать световой поток, рассеиваемый от облаков и неба, но потребуется поэкспериментировать с углом наклона фотоэлектрического преобразователя.

Открытое снежное поле способно создавать более 85% отраженного света. Этому способу следует уделить внимание.

Сезонные отличия инсоляции могут колебаться в больших пределах (до 6 крат). Поэтому весенним днем и темным осенним вечером возможности домашней солнечной станции очень отличаются.

Учитывая стоимость солнечной батареи, рекомендуется в конце зимы или ранней весной купить их минимальное количество для приобретения опыта эксплуатации и проверки качества изготовления. В конце осени можно докупить оставшуюся часть для осенне-зимней эксплуатации. К тому же в этот период действуют скидки и акции.

Вспомните свои ощущения, когда выходите на улице в солнечный февральский день:

• солнце слепит глаза (вспомнили про темные очки);

• мороз щиплет за щеки;

• свет отражается от снега;

• световой день растет.

Это идеальные условия для работы фотоэлектрического преобразователя. Он вырабатывает повышенную мощность и не надо особенно беспокоиться об его охлаждении, как летом.

Если вы ошиблись в расчетах и солнечные батареи успешно справляются с задачами: даже имеется резерв мощности, то может быть и…не потребуется их докупать осенью? Или приобрести меньшее количество? Почему бы не проверить таким способом?