Использование солнечной энергии для тепло и энергоснабжения дома

Coдepжaниe

Пepeчeнь coкpaщeний и oбoзнaчeний	6
Ввeдeниe	7
1 Определение тепловых нагрузок жилого дома	8
    1.1Описание строительных размеров и характеристик здания................	.......9
   1.2 Расчет теплопотерь жилого дома через ограждающие поверхности.	9
   1.3 Метод расчета теплопотерь	10
   1.4 Пример расчета теплопотерь кухонного помещения 	14
   1.5 Расчет расхода тепла на горячее водоснабжение	19
   1.6 Выбор котла отопления для автономного отопления жилого дома	19
2 Использование солнечной энергии для тепло и энергоснабжения  дома	22
   2.1 Расчет энергопотребления жилого дома для выбора фотоэлементов	23
          2.1.1 Выбор мощности инвертора	24
          2.1.2 Расчет нагрузки постоянного тока на аккумуляторы	25
          2.1.3 Расчет количества солнечных панелей	26
          2.1.4 Выбор солнечного контроллера	26
3 Современные методы получения высокоэффективных свойств кремниевых  солнечных фотоэлементов	37
   3.1 Энергетические характеристики монокристаллических и поликристаллических кремниевых фотоэлементов	44
   3.2 Сравнительный анализ монокристаллических и поликристаллических солнечных  фотоэлементов	46
   3.3 Оптические свойства кремниевых пластин	46
          3.3.1 Моделирование оптических свойств солнечных фотоэлементов.	48
   3.4 Модель для расчета оптических свойств кремниевого солнечного элемента с V-образными канавками	50
   3.5 Моделирование ионной имплантации в кремнии при помощи программного комплекса TRIM	59
4 Безопасность жизнедеятельности	59
   4.1 Анализ условий  применения котла малой мощности, работающего на газообразном топливе в жилом доме	65
   4.2 Социально-экологические характеристики солнечной энергетики	73
   4.3 Влияние парниковых газов на атмосферу Земли	73
   4.4 Определение выбросов газообразных загрязняющих веществ расчетными методами	74
   4.5 Разработка искусственного освещения котельного помещения	83
5. Оценка экономической эффективности теплоснабжения 
жилого дома	84
Заключение	………………………………………………………………...75
Приложение А………………………………………………………………...….76
Приложение Б……………………………………………………………………77
Приложение В……………………………………………………………………78
Список литературы………………………………………………………...…….79

     

      Введение
     Казахстан имеет огромный потенциал возобновляемых источников энергии, в частности, гидроэнергетики и ветровой энергетики. Но, к сожалению, он еще не освоен. В настоящее время, возобновляемые источники энергии представляют лишь около 1 процент в энергетическом балансе Казахстана.
     Правительство Республики Казахстан намеревается значительно увеличить долю электроэнергии, вырабатываемой из возобновляемых источников энергии. В соответствии с Национальной программой по форсированному индустриально-инновационному развитию Республики Казахстан на период с 2010 по 2014 год, доля потребления электроэнергии, производимой от возобновляемых источников энергии должна превысить 1% к 2015 году. И в соответствии с национальными программами для перехода к устойчивому развитию, предусмотрено увеличение доли возобновляемых источников энергии в энергетическом балансе Казахстана до 5 процентов к 2024 году. Закон о ВИЭ был подписан Президентом Республики Казахстан Нурсултаном Назарбаевым 4 июля 2009 года.Казахстан взял на себя обязательства сократить свои выбросы на 15% по отношению к уровню 1992 года. Эту цель будет трудно достичь только за счет снижения энергоемкости экономики. Таким образом, роль возобновляемых источников энергии в сокращение выбросов парниковых газов будет иметь существенное значение для Казахстана. Нетрадиционные источники энергии - это альтернативные источники энергии, такие как солнечная энергия, энергия ветра, энергия биомассы, энергия малых рек, геотермальная энергия, энергия приливов, волновая энергия, а также энергия, определяемая разностью температур по глубине океана. Все перечисленные источники, кроме геотермальной энергии и энергии приливов относят к возобновляемым источникам энергии солнечного происхождения. Кроме того, к возобновляемым источникам энергии относятся различные отходы и источники низкопотенциального тепла в сочетании с тепловыми насосами. 
     Солнечная энергетика – это отрасль науки и техники, разрабатывающая научные основы, методы и технические средства использования энергии солнечного излучения на Земле и в космосе для получения электрической, тепловой, а также других видов энергии, и определяющая области и масштабы эффективного использования энергии Солнца в экономике страны.             
     В настоящее время в нашей стране широко применяются солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ). В СФЭУ используется явление фотоэффекта, заключающееся в возможности прямого преобразования солнечного излучения в электричество в некоторых материалах, называемых полупроводниками, открытыми в 1887 году Герцем и детально исследованными в 1888 году Столетовым.
           Суть фотоэффекта заключается в том, что фотоны света как основа солнечного излучения, могут выбивать электроны или с поверхности тел (внешний фотоэффект), или только из кристаллической решетки внутри полупроводника (внутренний фотоэффект), а также в возникновении под действием солнечного излучения, падающего на границе пары металл-полупроводник некоторой ЭДС, вызывающей появление или изменение тока во внешней цепи, соединяющей указанную пару (фотоэффект, запирающего слоя или вентильный фотоэффект).







































 Определение тепловых нагрузок жилого дома

       1.1 Описание строительных размеров и характеристик здания

Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха должны обеспечивать в рабочей и обслуживаемой зонах помещений требуемые санитарно-гигиеническими нормами метеорологические условия и чистоту воздуха.
К условиям теплового комфорта (условиям, благоприятным для жизни и деятельности) относятся температура воздуха tB, 0C, относительная влажность ?, %, скорость движения воздуха ?, м/с№ Строительные нормы и правила (СНиП) устанавливают, например, следующие допустимые (и оптимальные – указаны в скобках) метерологические условия в обслуживаемой зоне жилых и общественных зданий: температуру воздуа 18-220С (20-22); относительную влажность воздуха 65% (45-30); скорость движения воздуха не более 0,3 м/с (0,1-0,15). [1]
Подвод теплоты в помещение через систему отопления предназначен главным образом для компенсации теплопотерь теплопередачей через наружные ограждения. Теоретически с учетом этого обстоятельства начало и окончание отопительного периода должны осуществляться при температуре наружного воздуха, равной допустимой или оптимальной температуре внутри помещения. [1]
Подвод теплоты в помещение через систему отопления Q0 определяется уравнением теплового баланса: 

Q = QT+QИ-QТ.В= Q- QТ.В = (1+µ) QT - QТ.В                                             (1)

где Q- суммарные тепловые потери здания; QТ- теплопотери передачей через наружные ограждения; QИ- теплопотери инфильтрацией из-за поступления в помещение через не плотности наружных ограждений холодного воздуха; QО- подвод теплоты в здание через отопительную систему; QТВ- внутренние тепловыделения; ?=QТ/QИ – коэффициент инфильтрации, представляющий собой отношение теплопотерь инфильтрацией к теплопотерям теплопередачей через наружные ограждения. [2]

Строительные размеры и характеристика здания.
            Необходимо рассчитать значение теплопотребления здания дом рядовой застройки, год постройки 2015, чертёж представлен в приложении. П1.
Высота здания определяется при условии, что чердачный этаж является не отделанным и с теплотехнической точки зрения рассматривается как неплотный.
     
     
     
     
     
     Даны следующие параметры:
     Место расположения:
     Алматинская область, нормальное расположение, массивными тип конструкции.
     Строительные размеры  здания.
     	Высота здания Н=7.2м
     	Высота этажа НЭ= 2.75 м.
     	Высота комнаты Нк= 2.75м.
     
     Таблица 1 - Материал стен.
Материал 
Пеноблок/Газоблок (0,1 Вт/м2К) толщина 300 мм
Теплоизоляция
Пенопласт (0,04 Вт/м2К)
Толщина 100 мм
Дополнительно
Известковая штукатурка 10 мм
             
Таблица 2 -  Перекрытие потолка
Материал
Бетон 2 Вт/м2К 
толщина 50 мм
Теплоизоляция
Минеральная вата 0,038 Вт/м2К
Толщина 200 мм
Дополнительно
Гипсокартон

Таблица 3 - Пол на грунте
Материал
Бетон 2 Вт/м2К 
толщина 100 мм
Теплоизоляция
Пенопласт 0,04 Вт/м/К
Толщина 50 мм
Дополнительно
Гипсокартон

Таблица 4 - Окна
Количество
Размер (мм)
Стеклопакет
12
1500 х 1000
4-10-4-10-4|Двухкамерный R0=6
1 (окно в санузле 2-го этажа)
870 х 570
4-10-4-10-4|Двухкамерный R0=6
          
          Таблица 5 - Двери
Количество
Размер (мм)
Тип
11
2000 х 1100
Деревянная (50 мм)
1 (входная)
2070 х 810
Металлическая дверь

Таблица 6 – Параметры всех комнат жилого дома
     

Площадь
Размеры окон
Площадь окон
Количество окон
Площадь дверей
Количество дверей
Высота помещений
Кухня 
20,75
2.0х0.75
1.5
1
2.2
1
2.75
Гостиная
30.07
3.5х1.68
5.88
2
2.2
1
2.75
Кабинет
20.78
2.0х0.75
1.5
2
2.2
1
2.75
Санузел 1 этаж
6.11



2.2
1
2.75
Котельная
7.63
1.0х0.5
1.9
1
2.2
2
2.75
Лестничный холл
15.6



2.2
2
2.75
Веранда
5.04
1.5х0.75
1.125
1
2.2
2
2.75
Спальня 1
20.78
2.0х0.75
1.5
1
2.2
1
2.75
Детская
15.91
2.0х0.75
1.5
2
2.2
1
2.75
Спальня 2
20.79
2.0х0.75
1.5
2
2.2
1
2.75
Гардеробная
10.09
1.5х0.75
1.125
1
2.2
1
2.75
Кладовая
3.84



2.2
1
2.75
Санузел 2 этаж
13.98
1.0х0.5
1.9
1
2.2
1
2.75
Лестничный холл 2 этаж
11.48



2.2
2
2.75
Коридор 2 этаж
3.34



2.2
3
2.75
     
     






     1.2. Расчет теплопотерь жилого дома через ограждающие поверхности.
     Коэффициент теплоотдачи:
     Для внутренних стен, пола, гладких потолков, покрытий
     ?=8,7 Вт/м2?0С
     для наружных стен, покрытий ?н=23 Вт/м2?0С
     Температуру внутри помещений принимаем по СНиП 2.04.05-91*  tв=23.30С, для жилых и общественных зданий. Температура наружного воздуха для г. Алматы tн=-250С в соответствии со СНиП РК 2.04-05-2002*.
     Расчет проводится для 2-х этажного коттеджа без подвального помещения. Расчет проводился на програмном обеспечении сайта dokadoma.com (расчет тепло-потерь жилого дома).
     Приборная панель расчетной программы представлена на рисунке 1.
     
     
     
     Рисунок 1 - Приборная панель программы dokadoma.ru
     
     
     В данной программе мы выбираем отделку стен, потолка, пола, размеры помещений, высоту помещений, типы окон, дверей и т.д. 



1.3 Метод расчета теплопотерь.
Методика расчетов теплопотерь основана на документации стандарта DIN.
В расчете не участвуют теплопотери которые требуют детальной проработки но и не вносят значительную погрешность.
Стандарт DIN
DIN— Немецкий институт по стандартизации.
Главной задачей DIN является разработка нормативно-технической документации (стандарты, технические условия, правила и т. п.). Для этой цели DIN организовывает работу 26 тыс. экспертов из различных областей науки и техники. Его членами являются предприятия, союзы, государственные организации, торговые фирмы и научные институты. Согласно договору, заключенному между DIN и правительством ФРГ, DIN является ведущей немецкой национальной организацией по стандартизации и представляет интересы Германии в этой области на международном уровне.    
Интенсивная работа немецких экспертов в сфере международной стандартизации и нормирования сделала DIN одним из общепризнанных мировых лидеров по разработке стандартов и других нормативных документов. Всего в DIN входят 74 нормативных комитета, занимающихся разработкой стандартов и другой документации.
DIN — cтандарт, имеющий национальное значение или являющийся предварительным для разработки международного документа. E DIN это черновой стандарт, DIN V — предварительный стандарт.
DIN EN — немецкое издание европейского стандарта, которое без каких-либо изменений принимается всеми членами Европейского комитета по стандартизации (CEN) и Европейского электротехнического комитета по стандартизации (CENELEC).
DIN EN ISO — стандарты, совместно разработанные и изданные ISO и Европейской комиссией по стандартизации (CEN)
DIN ISO — стандарт ISO, принятый как национальный без каких-либо изменений.
DIN IEC — стандарт Европейской комиссии по электротехнике (IEC), принятый в Германии как национальный без каких-либо изменений.

1.4 Пример небольшого расчета теплопотерь стены дома по DIN4108-3
Формула расчета: 

Rобщ = Rвнутр.+ R1+ R2+ R3+ Rn+ Rвнеш.                                       (2)

R1.R2.R3….Rn = L/?; где L  ширина материала в метрах. (например для пенопласта толщиной 0,05/0.06 = 0.83)
Теплопотери (W/m2 K) – 1/Rобщ.
Сопротивление теплоотдачи материал-воздух согласно DIN 6946.
Сопротивление теплоотдачи зависит от коэффициента отражения материала, направления потока и скорости ветра и др, более подробно про расчет в DIN 6946.Rвн (внутренняя сторона стены) – 0,13; (для 20°С)
Rвнеш (внешняя сторона стены) — 0,04;
Rвнеш (внешняя сторона стены) — 0,08  (вентилируемый воздушный зазор);

Рисунок 2 – Кладка стены


? W/(m • K)
R m2 K/W
Rвн теплопередачи

0.13
Гипсокартон 12.5 мм
0.21
0.06
Воздух 30 мм
—
—
Кирпичная кладка 300 мм
0.79
0.4
Пенопласт 50 мм
0.06
0.83
Штукатурка 10 мм
0.87
0.01
Rнар теплопередачи
—
0.04
Всего
—
1.47

Таблица 7 – Теплопроводность и сопротивление основных материалов

Сопротивление теплопередачи стены — 1,47 m2 K/W.
Коэффициент теплопередачи стены  — 1/1.47 = 0,68 W/m2 K
Для расчета общих теплопотерь стен, коэффициент необходимо умножить на разницу температур и на общую площадь стены. Например для стены площадью 100 м/кв и перепадом температуры 40° общие потери составят 0,66*100*40=2720Вт/час.
     Расчет проводим для каждой комнаты нашего дома. Для наглядности примера представили результаты расчета кухонного помещения данного дома. Остальные результаты расчета представлены в Приложении 2.
     

Площадь помещения
21 м2
Перепад температуры
49 °C
Стены

Площадь стен
22.91 м/кв
Теплопотери
0.36 Вт/м2К
Теплопотери стен за 1 час
404.1324 Вт
Пол

Площадь пола
21 м/кв
Теплопотери
0.14 Вт/м2K
Теплопотери пола за 1 час
70.56 Вт
Потолок/Крыша

Площадь потолка
21 м/кв
Теплопотери
0.65 Вт/м2K
Теплопотери потолка за 1 час
668.85 Вт
Окна

Площадь окон, общая
1.5 м/кв
Теплопотери
1.67 Вт/м2K
Теплопотери окон за 1 час
122.5 Вт
Двери

Площадь дверей, общая
2.2 м/кв
Теплопотери
1.85 Вт/м2K
Теплопотери дверей за 1 час
199.43 Вт
Вентиляция

Объем помещения
56.7 м3
Температура воздуха после рекуператора
6.85°C
Теплопотери за 1 час
175.0329 Вт
Всего

Общие теплопотери за 24 часа
42.24 кВт
Общие теплопотери за 1 час
1.76 кВт·ч
Теплопотери на 1 м2
83.81 Вт/м2

     Таблица 8 – Расчет теплопотерь кухонного помещения.
     
     Итого общие потери тепла по дому составляют = 21320 Вт или  21 кВт.

     1.5 Расчет расхода тепла на горячее водоснабжение
     Расход тепла на горячее водоснабжение определяется по формуле:
     Qг.в.с.ж.общ. =    ,    кВт                                                  (3)
     Где, а — норма потребления горячей воды в жилых и общественных зданиях (120 кг/сутки чел.);
     с — теплоемкость воды (4,19 кДж/ кг*К);
     tг , tх — температура соответственно горячей воды (+550С) и холодной водопроводной (зимой +50С );
     n – число жителей.
     Общая площадь комнат одного этажа составляет F=103 м2.
     
       			 Qз г.в.с..=  1.2* 5*100*4,19*(55-5)  =1.45 кВт;
                                         			24*3600
                                     Qл г.в.с..=   5*1.2*100*4,19*(55-15)  =1,16кВт.
                                         			24*3600

























1.6 Выбор оборудования  для автономного отопления жилого дома.

Общая тепловая нагрузка, по которой производится выбор источника тепла (водогрейный котел-бойлер) составляет:
Q=Qотоп+Qзгвс=21.32+1.45=22.77 кВт
В результате данных расчетов был произведен выбор котла компании “Viessman”. Из предложенных вариантов выбрали низкотемпературный чугунный водогрейный котел для жидкого и газообразного горючего   Vitorond 200 тип VR2 номинальной мощностью 27 кВт.

Характеристики кoтла типа Vitorond 200 тип VR2  
Номинальная тепловая мощность - 27 кВт. 
Контроллер - Vitorond 200 (тип VR2) с программируемой и погодозависимой теплогенерацией с переменной температурой теплоносителя и контроллер для одного отопительного контура со смесителем. В сборе со смонтированной теплоизоляцией№
Жидкотопливная вентиляторная горелка Vitoflame 200. 
Диаметр патрубка подсоединения газохода - 130 мм.
Размеры:
высота -                                                    965мм;
ширина (включая горелку) -                   500мм;
глубина -                                                   1179мм.
Вес (с теплоизоляцией и горелкой) -     210 кг 


Рисунок 3 - Общий вид котла Vitorond 200



Рисунок 4 - Технические данные котла

AGA – вытяжка отходящих газов. 
E – Спускной вентиль и мембранный расширительный сосуд
KR – патрубок обратной магистрали
KTS – датчик температуры котловой воды
KV – патрубок подающей магистрали
SА – патрубок аварийной линии




Рисунок 5 - Внутреннее строение котла Vitorond 200.














     2. Использование солнечной энергии для тепло и энергоснабжения жилого дома.

     В настоящее время вопросам использования возобновляемых источников энергии уделяется серьезное внимание. Эти источники энергии рассматриваются как существенное дополнение к традиционным. Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности наиболее перспективна. 
     Имеются довольно широкие возможности применения солнечных установок для индивидуальных потребителей, особенно в сельской местности. Расширение масштабов применения солнечных установок не только даст значительную экономию энергоресурсов, но и позволит смягчить экологическую ситуацию.
     В данной работе в качестве нетрадиционного источника энергии я выбрал фотоэлектрические панели. Устройства для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую называются фотоэлементами. Название фотоэлементы или по-английски Photovoltaics произошло от греческого слова photos, что значит - свет и названия единицы электродвижущей силы – вольт.
     Фотоэлементы изготавливаются из неоднородных полупроводниковых материалов, основным из которых на сегодняшний день является кремний. Принцип действия таких элементов основан на явлении внутреннего фотоэффекта, при котором под воздействием солнечного излучения между двумя полупроводниками с различными электрическими свойствами возникает электрический ток.
     Неоднородность полупроводников возникает при добавлении различных примесей к одному и тому же полупроводнику. Совокупность электрически соединенных между собой фотоэлектрических солнечных элементов (ФЭС), имеющих выходные клеммы для подключения нагрузок, называется фотоэлектрическим модулем. При соединении модулей друг с другом, варьируя их мощностями и количеством, возможно создавать фотоэлектрические станции с заданными параметрами. КПД фотоэлектрических установок составляет на сегодняшний день в среднем 10%, КПД же отдельно взятых фотоэлементов может доходить до 20 и более процентов. В лабораторных условиях уже достигнут КПД элементов 40 % и в перспективе 50%-ный рубеж.
     Несмотря на открытие явления фотоэффекта Эдмондом Беккерелем в 1839 году, прошло еще долгих 44 года, прежде чем был изготовлен первый в мире фотоэлемент из селена. КПД этого первого элемента составлял всего 1-2%, однако начало эры солнечной энергетики было положено. Поиски новых материалов и развитие технологий привели к изобретению кремниевых солнечных преобразователей, ставших предшественниками современных фотоэлементов. В течение еще почти ста лет развитие солнечной энергетики переживало то взлеты, то падения и лишь энергетический кризис 1973-1974 годов послужил толчком к массовому запуску программ по использованию фотоэлементов. Только в США было установлено свыше 3100 солнечных фотоэлектрических систем, многие из которых и в настоящее время успешно эксплуатируются.
     Кремний и сейчас остается основным материалом для производства фотоэлементов. Модули из моно- или поликристаллического кремния составляют около 80% всех производимых модулей, остальные 20% - модули из аморфного кремния. Кристаллические фотоэлементы – это наиболее распространенный тип фотоэлементов, обычно они имеют синий с отблеском цвет. Аморфные или некристаллические фотоэлементы меняют цвет в зависимости от угла зрения и гладкие на вид.

Рисунок 6 - Фотоэлемент из монокристаллического кремния.

Рисунок 7 - Модули из монокристаллического кремния
              Наибольшее КПД преобразования солнечной энергии имеют монокристаллические элементы (около14%). Срок их службы около 20 лет. Технология изготовления сверхчистого кремния «солнечного» качества, являющегося базовым материалом для монокристаллических фотоэлементов хорошо освоена и отработана. Монокристалл кремния вырастает из семени, медленно вытягивающегося из кремниевого расплава. Полученные в результате стержни нарезаются на диски толщиной 0,2-0,4 мм. Затем диски подвергаются ряду производственных операций, превращающих их в собственно монокристаллические фотоэлементы:
-обтачивание, очистка и шлифовка;
-защитные покрытия;
-антирефлексионные покрытия;
-металлизация.
           Основной недостаток монокристаллических фотоэлементов – это высокая стоимость, 50-70% которой составляет цена самого кремния. Снижение мощности при затенении или сильной облачности - это еще один существенный минус этих фотоэлементов.

Рисунок 8 - Фотоэлемент из поликристаллического кремния.

Рисунок 9 - Модули из поликристаллического кремния
              Модули из поликристаллического кремния обладают меньшей эффективностью в сравнении с монокристаллическими (КПД составляет 10-12 %) и имеют меньший ресурс – до 10 лет, но и стоимость их меньше за счет меньшего расхода энергии при изготовлении. К тому же, мощность поликристаллических фотоэлементов зависит от затенения в меньшей степени, чем монокристаллических. Образование поликристаллического кремния происходит при медленном охлаждении кремниевого расплава. Меньшая эффективность объясняется наличием внутри кристалла поликристаллического кремния областей, отделенных своеобразными зернистыми границами, которые препятствуют более высокой производительности элементов.

Рисунок 10 - Модули из аморфного кремния
                  Модули из аморфного кремния еще менее эффективны, чем из кристаллического кремния, к тому же менее долговечны. Однако низкое энергопотребление, простота производства и невысокая его стоимость, возможность производства больших по размерам элементов делает модули из аморфного кремния востребованными в самых широких сферах человеческой деятельности. Аморфный кремний достаточно широко применяется при производстве часов и калькуляторов, однако для установок большой мощности он неприменим вследствие меньшей стабильности. «Метод испарительной фазы», при помощи которого происходит изготовление аморфного кремния, состоит в осаждении тонкой пленки кремния на подложку и нанесении защитного покрытия. Вследствие такого осаждения образуются проводящие электричество p-n переходы. Используемые при изготовлении модулей из аморфного кремния материалы абсолютно безвредны в экологическом отношении, такие модули эффективны даже в условиях слабой освещенности и облачности и лучше защищены от агрессивного влияния внешних факторов.                                                         
     Кремний – второе по распространенности вещество на Земле. Встречается кремний чаще всего в виде диоксидов, которые можно увидеть практически повсеместно: это обычный песок, кварц, кремень и другие минералы. Однако для изготовления фотоэлементов нужен кремний высокой степени очистки и технологии такой очистки достаточно сложны, трудоемки и дорогостоящи, чем и вызвана сравнительно высокая цена конечного продукта. Фотоэлемент – это основная часть солнечной батареи, от которой зависит как эффективность работы солнечной энергосистемы, ее сроки службы и условия работы, так и стоимость вырабатываемого электричества и сроки окупаемости системы. Кристаллические кремниевые фотоэлементы, наиболее распространенные на рынке фотогальваники, уже многие годы успешно вырабатывают энергию на космических станциях и системах электроснабжения на Земле. 
      В настоящее время фотоэлементы изготавливаются из самых различных материалов, основными из которых являются кремний (Si) и арсенид галлия(GaAs), немало и новых технологий их изготовления. Однако неизменным остается основной принцип их действия, заключающийся в использовании явления фотоэффекта в неоднородных полупроводниковых структурах под воздействием квантов солнечного света. Классический кремниевый фотоэлемент похож на сэндвич из двух полупроводниковых пластин, внутренняя из которых изготавливается из кремния высокой степени очистки и прошедшего не один этап обработки, а внешняя – из, так называемого, «загрязненного кремния», полученного из такого же основного материала с добавлением точно рассчитанного количества специальных примесей (например, фосфора). Увеличение эффективности фотоэлементов, являющееся основной задачей исследователей и ученых, занимающихся проблемами солнечной энергетики, во многом зависит от совершенствования материала двух слоев полупроводников. Арсенид галлия, использующийся наряду с кремнием для изготовления фотоэлементов, более эффективен (КПД около 28%), чем кремний (КПД в среднем 17%), однако намного более существенные затраты на его производство и меньшая освоенность технологий, позволяют кремнию по-прежнему оставаться основным материалом для изготовления солнечных элементов.
      Солнечные элементы бывают двух типов: «n» типа, у которых тыльная сторона является минусовым контактом, а лицевая, т. е. рабочая – плюсовым и элементы «р» типа с противоположным расположением контактов. Электрон под воздействием фотона света, попадающего на внешнюю «n» пластину, имеющую избыток электронов, возбуждается и перескакивает на внутреннюю р-пластину с недостатком электронов. Возникающее в результате направленное движение электронов и представляет собой электрический ток. Под воздействием светового излучения возникает постоянный ток силой около 0,5 ампер. Единичный фотоэлемент поддерживает определенную силу тока при заданном напряжении и использовать его можно совершенно так же, как и другие источники электроэнергии. Основная разница лишь в том, что в фотоэлементах невозможно короткое замыкание. Сила тока пропорциональна световой энергии (количеству квантов света). В фотоэлектрических системах напряжение почти постоянно, а сила тока зависит и пропорциональна размерам фотоэлементов и интенсивности падающего на них света. Облачность способна снизить выходную мощность фотоэлемента вдвое и более. Характеристики кремниевых фотоэлементов имеют нелинейный характер и закон Ома в его обычном написании для них неприменим. Графически поведение фотоэлектрических преобразователей отображается с помощью вольтамперных характеристик (ВАХ).

Рисунок 9 - Вольтамперная характеристика ФСЭ
      При монтаже модуля следует обратить особое внимание на выходные параметры элементов, так как разброс по выходному току может привести к значительному падению эффективности модуля. Для наглядности можно провести аналогию с водопроводной трубой, в которую произвели врезку трубы меньшего диаметра. Естественно, водоток всей водопроводной системы уменьшится. Подобное происходит и с неоднородными по выходным характеристикам фотоэлементами. 
      Напряжение холостого хода, вырабатываемое отдельно взятым фотоэлементом, отличается от аналогичного параметра других элементов в той же серии незначительно, как и одной фирмы производителя от другой, на величину приблизительно равную 0,6 В и не зависит от площади элемента. Ток, как мы уже говорили, зависит и от интенсивности освещения, и площади фотоэлемента. Элемент стандартного размера 103х103 мм в 100 раз больше элемента 10х10 мм и, при одной и той же освещенности, он произведет ток в 100 раз больший. Нагружая элемент, можно получить график зависимости выходной мощности от напряжения.

Рисунок 10 -  График зависимости выходной мощности от напряжения
      Максимальная или пиковая мощность элемента соответствует рабочему напряжению, равному приблизительно 0,47 В. Поэтому для получения достоверной оценки качества фотоэлемента его необходимо нагрузить таким образом, чтобы выходное напряжение равнялось этому значению 0,47В.
      Температура нагрева элементов также влияет на эффективность их работы. Нагрев элемента на каждый градус свыше 25 градусов С вызывает потерю напряжения на 0,002 В. На рисунке 3 показаны вольтамперные характеристики элемента при температурах 25 и 60 градусов С. Из графика видно, что температурный коэффициент тока, в отличие от напряжения, положителен и равен 0.7%/°С. Средний КПД фотоэлемента находится в диапазоне 12-18%, что означает генерацию элементом размерами 103х103 мм при стандартных условиях 1.2-1,8 Вт электрической мощности. Стандартными условиями (STC -Standart Test Conditions) для элементов во всем мире являются следующие параметры:
-освещенность – 1000 Вт/м2;
-температура – 25 градусов С;
-спектр - АМ 1,5 (спектр на широте 45 градусов), что в России соответствует географической широте Краснодара.

Рисунок 11 - График зависимости тока от напряжения
               В мире принят следующий ряд стандартных типоразмеров солнечных элементов: 103х103 мм, 125х125 мм, 156х156 мм, а также доли этих элементов, получаемые лазерной резкой. Элементы 85х85 мм уже не производятся в связи с наметившейся в последние годы тенденцией по укрупнению фотоэлементов, применяющихся в земных условиях. Стандартные доли – это ?, 1/3, ? и 1/6 части элемента. Учитывая, что в производимых в последние годы элементах ориентация кристаллов кремния в пластинах «111» (диагональная), так как пластины кремния стали выпускать более тонкими, чем раньше (180-220мкм вместо 300-500мкм), то такие пластины разламываются по диагонали (за исключением случаев разрезания их лазером). Диагональная ориентация кристаллов упрочняет элемент при напайке плоского проводника – монтажной шины на токосъемные дорожки и предотвращает возникновение микротрещин вдоль линии пайки. Микротрещины обычно возникают из-за разницы температур поверхности элемента и жала паяльника, если элемент паяется холодным. Чтобы избежать этого или снизить последствия разницы температур пайку рекомендуется проводить на нагретой поверхности.
      Доли элементов необходимы для сборки модулей малой мощности. Помимо размера, фотоэлементы могут иметь различную конфигурацию. Обычно производимые кремниевые пластины для фотоэлементов имеют форму диска, что неудобно при сборке модулей. Поэтому, для более эффективного заполнения  площади солнечного модуля и удобства сборки, кремниевые пластины обрезают в виде «псевдоквадрата», т. е. восьмигранника со слегка закругленными углами, или прямоугольника.
      Текстурированность  лицевой                стороны фотоэлементов в совокупности со специальным просветляющим покрытием, позволяют снизить отражение. Обратная сторона предназначена для напайки проводников. 
      Высокая стоимость солнечных батарей и довольно длительный срок окупаемости являются основными сдерживающими факторами развития солнечной энергетики. Тонкопленочные элементы, активно захватывающие сегодня мировой рынок, могут стать альтернативой дорогостоящим кремниевым элементам. Стоимость их почти в два раза ниже за счет меньшей материалоемкости и использования в качестве полупроводников более дешевых соединений.
      В настоящее время самыми распространенными видами тонкопленочных фотоэлементов являются фотоэлементы из аморфного кремния, CIS (CIGS) и CdTe технологии.
      Фотоэлементы из аморфного кремния (a-Si)намного дешевле фотоэлементов из кристаллического кремния, поскольку слой кремния в них составляет всего 0,5-1,0 мкм против 300 мкм в кристаллических элементах. Сфера применения их гораздо шире, чем кристаллических: возможно, например, изготовлять гибкие фотоэлектрические модули из аморфного кремния для нестандартных элементов крыш и т. д. КПД их,правда, как мы уже упоминали, невелик, всего 6-8%.
                 CIS (CIGS) фотоэлементы. В этом типе фотоэлементов кремний не используется вообще. Основой CIS фотоэлементов являются соединения селена с медью и индием, а в CIGS фотоэлементах присутствует еще и галлий. Фотоэлементы этого типа обладают на сегодняшний день самым высоким КПД среди тонкопленочных фотоэлементов (около 11%) и гораздо эффективнее кристаллических элементов при пасмурной погоде, при рассеянном солнечном свете. CIS и CIGS фотоэлементы обладают свойством увеличивать свою мощность при нахождении под солнцем без нагрузки, так называемым эффектом «светового насыщения», тогда как кристаллические фотоэлементы при длительном воздействии солнечного излучения постепенно деградируют.
      CdTe фотоэлементы состоят из соединений кадмия и теллура (КПД около 9%). Кадмий является токсичным веществом и,тем не менее, многие годы находит свое применение в обычных батарейках. Производители, однако, заверяют, что доля кадмия в CdTe фотоэлементах настолько мала, что никакой угрозы здоровью человека и окружающей среде не представляет.
      Кроме описанных типов фотоэлементов, существует множество менее распространенных разработок – это арсенид-галлиевые гетерофотопреобразователи, эксперименты в области сенсибилизированных красок и органических фотоэлементов и т. д. 

2.1 Расчет энергопотребления жилого дома для выбора фотоэлемента
           Список основных нагрузок переменного напряжения 220 В, их мощность и часы работы в неделю. Перемножается мощность на время работы для определения требуемой энергии в Вт ч в день. Далее все эти данные умножаются на 7 (иправьте коэффициэнт на 2, если будете использовать систему в выходные, или на другой коэффициэнт) и суммируются для вычисления полной наргузки по переменному току в ватт-часах в неделю. [21]
Таблица 9 – Основные энергопотребляющие устройства жилого дома
Нагрузка переменного тока, питаемая через инвертор, в условиях коттеджа
Мощность, Ватт
Количество, шт
В среднем час/в день
Используется дней/в неделю
Всего час/в неделю
 =
Итого Втч/нед

 
 
 
 
 
 
 
Холодильник (с учётом его автовыключений)
 
150
1
8
7
56
 =
8400
Микроволновая печь
 
 
 
800
1
0,5
7
3,5
 =
2800
Компьютер
 
 
 
 
200
1
4
7
28
 =
5600
Телевизор (LCD или светоиодный, 101 дюйм)
 
120
1
6
7
42
 =
5040
Стиральная машинка
 
 
 
1500
1
2
2
4
 =
6000
Люминесцентные лампы  20 Вт (светимость 100 Вт)
20
10
5
7
35
 =
7000
Кондиционер (для лета)
 
 
1500
1
8
0
0
 =
0
Фен
 
 
 
 
1500
1
0,2
7
1,4
 =
2100
Пылесос
 
 
 
 
2000
1
0,3
1
0,3
 =
600
Электрочайник
 
 
 
2000
1
0,3
7
2,1
 =
4200
Проигрыватель DVD с усилителем и колонками
300
1
1
2
2
 =
600
Ноутбук
 
 
 
 
25
3
2
7
14
 =
1050
Утюг
 
 
 
 
1500
1
0,5
3
1,5
 =
2250
Бойлер (водонагреватель)
 
 
2000
1
1
7
7
 =
1400.......................