Проблемы со стандартным методом

Мой хороший друг подвел итог этому просто в телефонном разговоре несколько недель назад. Он сказал: "Летом у меня слишком много энергии, а зимой - мало. Большую часть зимы я работаю на своем пропан-генераторе. Это дорого стоит и производит много шума. Мои батареи должны "выравниваться" примерно раз в неделю, и я снова рассматриваю возможность замены батареек. Эта партия длилась около 4 лет. С учетом всех моих реальных затрат, я плачу за электроэнергию более $1 за кВт/ч. Это не то, чего я хотел и ожидал..."

Имейте в виду, что у этого друга есть 4000 ватт моно-кристаллических кремниевых солнечных батарей и 48-вольтовый блок батарей и инвертор. Зимой ему посчастливилось получить 500 ватт от панелей в Северном Айдахо. Он следовал всем стандартным рекомендациям, но не может позволить себе запустить систему!

Это, конечно, особый случай, но он иллюстрирует те проблемы, которые возникают в реальном мире, пытаясь "воплотить в жизнь мечту" о наличии дома, работающего вне сети и работающего на солнечной энергии. Реальность такова, что средний дом вне сети в конечном итоге частично питается от солнечной энергии и частично от резервного генератора. Топливные расходы, связанные с эксплуатацией этого генератора, являются лишь одним из нескольких очень больших текущих расходов, упомянутых во Введении. Другой очень большой текущей стоимостью солнечной системы, сконфигурированной таким образом, является текущая стоимость замены батарей.

Таким образом, мы видим, что проблемы, с которыми сталкивается солнечная энергетическая система, не связаны ни с эффективностью панелей, ни вообще с эффективностью инвертора. Это низкая выработка электроэнергии в "непиковых" условиях освещения и неспособность батарей работать столько, сколько заявляет производитель.

 

Глава 4

Разрушение мифов о "высокой эффективности".

Мы знаем, что солнечная энергия прекрасно работает в космосе и в течение десятилетий снабжает энергией сотни, если не тысячи спутников, находящихся на орбите без технического обслуживания и резервных генераторов. Мы также знаем, что то, как население вынуждено устанавливать свои солнечные энергетические системы на Земле, не работает, потому что требует большого объема технического обслуживания и резервного питания. Так в чём разница? Как все это может быть правдой? Почему солнечная энергия не может выполнить свои обещания по обеспечению бесперебойного энергоснабжения без технического обслуживания и дополнительных затрат? Мы думаем, что может, так что давайте выясним как.

 

Мифы о солнечных батареях

Монокристаллические кремниевые панели солнечных батарей рекомендуются больше всего, поэтому давайте посмотрим, что они делают. Как уже отмечалось ранее, данный тип технологии солнечных панелей был разработан Космическим агентством США NASA для питания спутников на орбите.

 

На этом графике показана связь между светом, исходящим от Солнца, и чувствительностью к нему Кристаллической кремниевой панели. Длина волны света указана в нижней части графика в нанометрах (нм). Для справки, видимый свет составляет от 400 до 700 нм. Желтая область представляет спектр света в пространстве и обозначена как "Спектральный солнечный свет (AM=0)". Знак AM=0 означает "воздушная масса = ноль", что означает свет вне атмосферы Земли. График показывает, что спектральная чувствительность Кристаллической кремниевой панели достигает пика от 900 до 1000 нм, а по площади под кривой видно, что менее 20% ее электрической мощности находится в видимом спектре излучения от 400 до 700 нм.

Простая правда в том, что такого рода солнечные панели даже не предназначены для работы на видимом свете! Они действительно преобразуют инфракрасное излучение в электричество, так как 80% его чувствительности составляет от 700 до 1100 нм. За пределами атмосферы, это отлично работает для питания спутников. Но что происходит, когда мы пытаемся использовать его на наземном уровне?

 

Вот график солнечного света, проникающего через атмосферу, и спектральная чувствительность панели Кристаллический кремний. Вы можете видеть, что есть несколько областей спектра, которые не достигают поверхности Земли, и самый большой очевидный диапазон составляет от 900 до 1000 нм, что именно то, что панели из кристаллического силикона предназначены для использования!

Эти "надсечки" представляют собой частоты солнечного излучения, которые либо отражаются, либо поглощаются атмосферой. И, наконец, вот график того, как много солнечного света можно получить из солнечного света за облаками. Поэтому, когда солнце блокируется облаками, питание такого типа солнечных батарей быстро падает. Кристаллические кремниевые солнечные батареи работают в основном на Инфракрасной РАДИАЦИИ, которая представляет собой длины волн от 700 до 1100 нм. Лишь около 20% их мощности поступает от света в видимом спектре. Так, когда мимо проходит облако и блокирует тепло от Солнца, эти панели практически ВЫКЛЮЧЕНЫ.

 

Вот почему они прекрасно работают вне атмосферы, чтобы снабжать спутники энергией, и не так хорошо работают на Земле. Теперь мы видим, что "25% КПД" этого типа панелей действительно только при полном солнечном свете, и в непиковых условиях они падают до 5% или менее.

Теперь давайте посмотрим на спектральную чувствительность аморфной кремниевой панели, показанную на этом графике как КРАСНАЯ ЛИНИЯ. Как видите, данный тип панели чувствителен к частотам на всем протяжении видимого спектра, пик которого находится в диапазоне от 550 (зеленый) до 660 нм (красный). Данная технология была разработана для получения высокой производительности при слабом освещении карманных калькуляторов и других портативных электронных устройств.

 

Они также имеют самый высокий диапазон чувствительности там, где солнечный свет является самым ярким. Это означает, что даже если Солнце частично блокируется пасмурной погодой или проходящим облаком, панель из Аморфного кремния может производить от 50% до 80% своей пиковой мощности! Именно в этих непиковых условиях аморфные кремниевые панели полностью превосходят Кристаллические кремниевые панели. Но если аморфные кремниевые панели работают лучше в реальных условиях, почему они имеют более низкую эффективность?

Вот почему.... Все показатели эффективности панелей основаны на идее, что излучаемая Солнцем полная энергия падает на Землю со скоростью 1000 ватт на квадратный метр. Это измерение плотности энергии в зависимости от освещенной площади. Если мы сделаем Кристаллическую кремниевую солнечную панель размером ровно в один квадратный метр, она будет производить приблизительно 250 ватт при полном солнечном свете, что составляет 25% от 1000 ватт теоретически доступной энергии. Аморфная кремниевая панель размером в один квадратный метр будет производить около 150 ватт при полном солнечном свете, что составляет около 15% от 1000 ватт. Так вот откуда берутся показатели эффективности. Они представляют собой соотношение между площадью, занимаемой панелью, и выходной электрической мощностью в пиковые условия.

Таким образом, солнечная панель мощностью 1000 ватт, использующая технологию кристаллического кремния, займет около 4 квадратных метров вашей крыши, а солнечная панель мощностью 1000 ватт, использующая технологию аморфного кремния, займет около 6,6 квадратных метров вашей крыши. Кристаллическая кремниевая панель физически меньше, но хорошо работает только при прямом солнечном свете. Аморфная кремниевая панель на 60% больше, но хорошо работает при прямом солнечном свете, а также в широком диапазоне условий непрямого освещения.

Вот и все! Аморфная кремниевая панель должна быть физически больше, чем Кристаллическая кремниевая панель, чтобы производить такое же количество ватт под полным солнцем. Однако аморфные кремниевые панели намного эффективнее кристаллических кремниевых панелей при любом другом освещении, кроме полного солнца.

Таким образом, текущий метод оценки солнечных батарей применяется только в идеальных лабораторных условиях, где всегда светит солнце, но это не имеет ничего общего с реальным миром. Это все равно, что оценивать эффективность вашего автомобиля по его габаритам, а не по топливной экономичности. Это смешно!

Год за годом, в реальных условиях эксплуатации, аморфные кремниевые панели будут вырабатывать на 30% - 60% больше электроэнергии, чем кристаллические кремниевые панели аналогичного класса. Если бы они оценивали панели в зависимости от того, сколько киловатт-часов они производят в год, то панель из Аморфного кремния получила бы оценку №1!

Этот график достаточно хорошо иллюстрирует этот момент. Он показывает, что аморфная кремниевая панель производит энергию дольше, когда солнце светит, и производит больше энергии весь день, когда есть облака.

Так как он производит больше энергии каждый день, независимо от погоды, это просто лучшая производительность!

Таким образом, возникает ситуация, когда критерии рейтинговой эффективности настолько критичны, что панели с рейтингом "низкая эффективность" явно превосходят их. Они стоят чуть дороже, но обеспечивают лучшую выработку солнечной энергии, которую вы можете купить прямо сейчас.

 

Мифы о контроллере заряда

Доказательства того, что панели из Аморфного кремния работают лучше, можно найти по всему Интернету, но очень немногие люди собрали все вместе и разрезали "эффективную" дымовую завесу. Солнечная промышленность уже некоторое время знает о проблемах с электропитанием панелей из кристаллического кремния, и предпринимаются попытки их решения.

Наиболее популярным средством является доминирование на рынке новых контроллеров зарядки MPPT. MPPT расшифровывается как Отслеживание точек максимальной мощности. Устройства используются с последовательно подключенными солнечными батареями для повышения входного напряжения до 100 вольт и выше. Стратегия здесь заключается в том, чтобы убедиться, что Кристаллические кремниевые панели могут производить достаточно напряжения, даже под облаками, чтобы передать некоторое количество энергии батареям. Контроллеры зарядки MPPT по сути представляют собой регулируемый понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный, который принимает любое входное напряжение и производит регулируемый выход для зарядки батарей.

MPPT-контроллеры работают достаточно хорошо, но поскольку их основная цель - попытаться компенсировать фундаментальные недостатки панелей из кристаллического кремния, их использование не увеличивает производство электроэнергии вне пика, а просто с помощью аморфных кремниевых панелей.

В конце концов, MPPT-контроллеры являются помощниками в решении проблемы, которая слишком велика, чтобы решить ее. Что действительно необходимо, так это лучшее производство энергии в условиях низкой освещенности и лучшее управление процессом зарядки аккумулятора с помощью доступной энергии. Хотя большинство контроллеров зарядки MPPT имеют регулируемые выходные параметры, ни один из них не использует параметры, необходимые для правильной зарядки батарей в качестве стандартной настройки. В конце концов, MPPT контроллер зарядки кажется не более чем ненужной технологией, разработанной для исправления неправильной проблемы.