Как зарядить чайник солнцем: физик отвечает на вопросы о солнечных батареях

Как собрать собственную солнечную станцию? Будет ли она работать в пасмурную погоду? На сколько хватит заряда от солнца? Ответы на эти и другие вопросы уже здесь.

Сначала — немного матчасти: чем солнечная панель отличается от батареи и станции

Я заметил, что иногда люди путают солнечные панели, батареи и станции. Чтобы дальше было проще читать статью, расскажу, что есть что.

Солнечная панель — это одна пластина, состоящая из небольших квадратов. Она дает мало электроэнергии и не зарядит ваш ноутбук сама по себе.

Одно такое полотно — это солнечная панель

Солнечная батарея — несколько панелей, объединенных в одну. У батарей с большой площадью мощность выше, а значит, они могут запитать сразу несколько электроприборов. Но чтобы батарея заработала, нужно собрать станцию.

Чем больше солнечных панелей в батарее, тем быстрее накапливается солнечная энергия

Солнечная станция — целое сооружение, которое преобразовывает солнечную радиацию в электроэнергию и питает электроприборы.

Примерно так выглядит солнечная станция

Из чего сделана солнечная панель и как она работает?

Солнечные панели делают из кремния. Изначально он представляет собой кварцевый песок: его очищают под воздействием высоких температур и получают технический кремний. Затем кремний спрессовывают в кубы, которые впоследствии нарезают на пластины толщиной примерно 180 микрон — это не больше толщины трех человеческих волос. После на одну кремниевую пластину наносят немного бора, а на другую — фосфора. Обе пластины соединяют между собой. В слое «кремний + фосфор» возникают свободные электроны, а в слое «кремний + бор» — отсутствующие электроны.

Чтобы солнечная панель начала вырабатывать ток, электронам нужно «перемешаться». Для этого они должны преодолеть расстояние между кремниевыми пластинами, но им не хватает энергии для этого. Тут в дело вступают солнечные лучи: когда они попадают на панель, у электронов появляется энергия для передвижения. Так возникает ток, от которого уже работают электроприборы.

Как запитать от солнечной батареи электроприбор?

Сама по себе солнечная батарея не включит чайник и не подзарядит ноутбук. Чтобы произошла магия, нужно собрать солнечную станцию. Вот какой конфигурации будет достаточно для работы электроприборов:

• Солнечные панели — количество зависит от того, сколько электроэнергии вам нужно получить.
• Контроллер — соединяет солнечную панель и аккумулятор, передает энергию от аккумулятора инвертору. А еще контроллер защищает аккумулятор от слишком высокого напряжения и от переразряда. Без контроллера аккумулятор может выйти из строя.
• Аккумулятор — хранит энергию, полученную от солнечной панели. Передает энергию инвертору с помощью контроллера.
• Инвертор — забирает постоянный ток из аккумулятора, преобразовывает его в переменный и передает электроприборам.

Чтобы солнечная энергия помогла вскипятить чайник и зарядить ваш смартфон, нужно соединить все эти устройства

Сколько электроэнергии можно получить от одной панели?

Однозначно на этот вопрос ответить не получится. Эффективность солнечной панели зависит от нескольких факторов:

• от расположения панели — на северной стороне меньше солнца, на южной — больше;
• облачности — если небо затянуто тучами, панель будет заряжаться медленнее;
• перпендикулярности лучей — если они падают на панель по касательной, эффективность панели будет ниже;
• чистоты панели — налет пыли или слой снега мешает получить максимум солнечных лучей;
• температуры окружающей среды — если она выше 25 °C, эффективность панели снижается.

В идеальном мире абсолютно чистая панель расположена на южной стороне ската, солнечные лучи падают строго перпендикулярно, на небе ни облачка, а температура окружающей среды не поднимается выше 20–21 °C. Тогда батарея из трех самых простых панелей площадью 2 м2 выдаст за восьмичасовой световой день максимум 2500 Вт·ч электричества. Этого хватит, чтобы вскипятить чайник примерно 13 раз.

Но в реальности цифры будут ниже, потому что панель покрывается пылью, солнечные лучи часто рассеиваются из-за туч и облаков, а световой день в России большую часть года короткий. А еще панель нагревается на солнце, и это тоже снижает ее эффективность.

Насколько быстро заряжается аккумулятор солнечной станции?

Это зависит от количества панелей, характеристик аккумулятора и контроллера. Чем больше панелей в солнечной станции и чем меньше емкость аккумулятора, тем быстрее он зарядится.

Давайте разберемся на примере. У каждого аккумулятора есть максимальный ток — он влияет на скорость зарядки. Допустим, в станции используется аккумулятор с максимальным током зарядки 20 А. Если взять панели суммарной мощностью 300 Вт и заряжать аккумулятор максимально допустимым током в 20 А, можно получить максимум энергии за 5 часов.

В пасмурную погоду солнечные панели совсем не заряжаются и не работают?

Ясная погода и прямые солнечные лучи — это не обязательное условие для работы солнечных панелей. Когда небо затягивает облаками или даже тучами, рассеянные лучи продолжают попадать на панель. Но она вырабатывает меньше электроэнергии, чем при ясной погоде.

Можно ли использовать солнечную станцию зимой?

С одной стороны, зимой эффективность батарей снижается: солнечных дней меньше, сами дни короче, а солнце не поднимается достаточно высоко. Из-за этого лучи падают на панели не перпендикулярно. А еще панели могут покрываться снегом — если его не счистить, они не будут давать ток.

Но, с другой стороны, если снега нет, а погода безоблачная, панели могут зарядить аккумулятор довольно быстро. Дело в том, что они хорошо охлаждаются зимой, а солнечный свет дополнительно отражается от снега, то есть его становится больше.

Где и как закрепить солнечную батарею?

Лучше всего устанавливать солнечную батарею на крыше дома. Так на нее не будет падать тень от деревьев, соседних домов и других предметов и она будет получать максимум солнечных лучей.

Идеально приобрести специальные стойки, которые оснащены датчиками слежения за солнцем и поворачивают панели вслед за ним, чтобы собрать максимум лучей. Эта конструкция напоминает подсолнухи. Такие стойки часто используют на светофорах, которые питаются с помощью солнечных панелей.

Правда, в частных домах стойки с датчиками слежения используют редко, потому что это довольно громоздкая конструкция, которую сложно монтировать. В целом достаточно установить панели на самый солнечный скат крыши — как мы уже знаем, это южная сторона.

Что дешевле и удобнее: солнечная станция или обычное электричество?

Стоимость солнечной станции зависит от того, сколько энергии вы хотите от нее получить. Одно дело — запитать камеру видеонаблюдения или фонарь на даче. Станция для таких задач будет стоить около 50 тысяч рублей. А вот полностью обеспечить дом электроэнергией с помощью солнца в разы дороже — конкретную сумму тут назвать сложно, и она будет отличаться для каждой страны. Дело в том, что оборудование для солнечных станций везде стоит по-разному. А где-то и вовсе дешевле подключиться к магистральным электросетям.

Например, в России гораздо выгоднее использовать привычное электричество, потому что оно дешевое. А вот в Европе оно стоит дорого, поэтому тут использование солнечных станций помогает сэкономить.

Независимо от страны, солнечные станции удобнее, если у вас нет доступа к магистральной сети или электричество постоянно отключают из-за неполадок. Батареи дают полную автономность, так что с ними годами можно готовить еду на электроплитке и греть воду в бойлере даже на отрезанном от цивилизации острове.

Для чего используют непромышленные солнечные батареи?

В последнее время я часто вижу, как солнечные батареи используют для работы уличных фонарей, камер контроля скорости, подсветки пешеходных переходов. Также можно поместить солнечные батареи на крыше электромобиля и ездить на нем без подзарядки аккумулятора от сети. Если продолжать автомобильную тематику, во дворе многоквартирного дома можно установить навес из солнечных панелей и использовать его для зарядки электромобилей. И от солнечных панелей можно запитывать низковольтные сети — например, как я уже говорил, для видеонаблюдения на даче.

В домах встречаются комбинированные системы, когда электричество из сети берется только в том случае, если панели и аккумуляторы не справляются. При этом в некоторых европейских странах — например, в Германии — можно вернуть в сеть излишки электроэнергии, которые вырабатывают панели. По сути, граждане продают свое электричество государству.