Ростелеком ТВ 

Генерация на основе солнечной энергии. Солнечная генерация — самый дешевый источник энергии. Для сборки солнечного генератора вам понадобятся

12:48 29.07.2016
Лечение психических расстройств ИБП на примере APS Smart-UPS 1000 (и калибровка)

Итак, предыстория. Дома есть сервер, есть комп жены и есть старенький проектор, лампа которого может очень обидеться на резкое пропадение напряжения. Поэтому в кладовке с сервером стоит достаточно мощный бесперебойник, к которому эти три потребителя подключены. Зовут его APC Smart-UPS 1000, модель SUA1000I.

Всё бы ничего, но в один прекрасный день бесперебойник посетило психическое расстройство...


Да, согласен, видок у него тот еще. Да и общий бардак в кладовке из-за неудобного размещения севера. Не подумал, надо было напротив входа ставить.
Его мощность 1000 ВА или примерно 630 Вт (в случае импульсных потребителей). Внутри живут две батареи по 12В, 12А/ч, что даёт 288 Вт/ч ёмкости. Мощности-то в принципе хватает, а вот время работы от родных батарей было не очень, плюс они старые и эксплуатируются при повышенной температуре (юг, как-никак).

Да и как водится у бесперебойников, последний комплект батарей он банально "надул" (перегрел при заряде, вплоть до деформации корпуса). Для увеличения времени работы от батарей были куплены два 53А/ч автомобильных аккумулятора, с которыми сервер мог работать уверенно несколько часов. А уж сколько он держал чисто сервер...


В смысле раньше держал, до тех пор, пока не сошел с ума.

Симптомы

Обнаружил я это случайно. Сначала он перестал нормально держать заряд, при отключении света тянул даже чисто сервер очень мало,. Я грешил на аккумуляторы и температуру в кладовке. Но потом он перестал даже включаться, то есть включался, врубал самотестирование (временно переходил на батареи) и начинал визжать, мигая лампой необходимости замены батарей.

Когда руки дошли его откалибровать, я столкнулся с трудностями. По порядку. В общем, подцепил к серверу (для информации - стоит Centos 7) и начал установку необходимого ПО.

Настройка сервера

Для начала был установлен apcupsd (демон работы с бесперебойниками), его web-консолька apcupsd-cgi и httpd (веб-сервер apache).

# yum -y install httpd apcupsd apcupsd-cgi

После установки надо заставить исполнять cgi скрипты, иначе не будет видно web-консольку.

Идем в /etc/httpd/conf/httpd.conf и исправляем.
В разделе (строка 131) правим:
Options Indexes FollowSymlinks ExecCGI (строка 144)
Это разрешит исполнение CGI скриптов.

Если правильно помню, cgi скрипты сами по себе исполняться будут, подключение дополнительных модулей апачу не нужно. Ну да ежели чего - описаний в нете навалом.

Далее надо перетащить скрипты apcupsd-cgi в папку cgi-bin:
# ln -s /var/www/apcupsd /var/www/cgi-bin/apcupsd
Это создаст символическую ссылку, и именно для неё надо было разрешить символические ссылки в cgi-bin.

Теперь надо поправить /etc/apcupcd/apcupsd.conf. Для моего бесперебойника ничего не понадобилось менять, т.к. подключение по USB было уже настроено. Для других ИБП или вариантов подключений надо будет настроить соответственно.

После этого можно настроить запуск и запустить сервисы:
# systemctl enable httpd
# systemctl enable apcupsd

# systemctl start httpd
# systemctl start apcupsd

Теперь можно открыть браузер и поглядеть на дело рук своих. Открываем браузер и идём по адресу http://адрес-сервера/cgi-bin/apcupsd/multimon.cgi

Будет показано нечто вроде:


Что я увидел после запуска

В общем, настроив и запустив всё это дело я обломался. Ибо apcupsd не мог установить связь через USB. Пришлось разбираться. Установил usbutils:

# yum -y install usbutils

и поглядел на вывод lsusb:

# lsusb
Bus 001 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub
Bus 002 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub
Bus 003 Device 001: ID 1d6b:0001 Linux Foundation 1.1 root hub
Bus 004 Device 001: ID 1d6b:0001 Linux Foundation 1.1 root hub
Bus 005 Device 001: ID 1d6b:0001 Linux Foundation 1.1 root hub
Bus 006 Device 001: ID 1d6b:0001 Linux Foundation 1.1 root hub
Bus 007 Device 001: ID 1d6b:0001 Linux Foundation 1.1 root hub
Bus 008 Device 001: ID 1d6b:0001 Linux Foundation 1.1 root hub

Опачки, никаких признаков подключенного по USB бесперебойника. Замена кабеля не дала ничего. Тут я начал подозревать нехорошее...

Пришлось искать альтернативу. К счастью, есть разъем сигнализации, через который бесперебойник можно прицепить к com-порту. И схема элементарная:

Надо только найти доноры разъемов. Когда доноры обнаружились, открылся забавный факт - это и был нужный кабель, изготовленный давным-давно. И рабочий.

Пришлось только прописать, что это кабель этой модели, подключенный к порту COM1 (/dev/ttyS0) в файле /etc/apcupsd/apcupsd.conf :

UPSCABLE 940-0024C
UPSTYPE apcsmart
DEVICE /dev/ttyS0

После перезапуска демона (systemctl restart apcupsd ) удалось добраться до бесперебойника. Оказалось, что это какой-то совсем странный, неизвестный науке зверь - Smart-???2 XL RM .
Пришлось выключить apcupsd и подключаться консолью, для чего понадобится утилита screen (ей проще всего).

# yum -y install screen
# systemctl stop apcupsd
# screen /dev/ttyS0 2400

То есть устанавливаем screen, останавливаем сервис бесперебойника (чтобы не лез в консоль), ну а последняя строка включает виртуальную консоль с подключением к бесперебойнику через порт /dev/ttyS0 (com1) на скорости 2400 бод. Остальные настройки стандартны (один стоп, без четности, 8 бит), поэтому мы их не трогаем.

Общение через консоль возможно текстовыми командами и может осуществляться в двух режимах - просто SMART (включается по послыке Y, ответ бесперебойника SM), либо в режиме PROG, позволяющем менять настройки (включение - посылка двух 1 с интервалом в 3-4 секунды).

Если кратко, то когда я начал глядеть регистры - ужаснулся: бесперебойник не знал кто он, почти все регистры содержали FF (все единицы), то есть на лицо была полная амнезия.

Самый примечательный момент, что бесперебойник думал, что он выпущен для канады (M в конце модели), причем вопреки всем описаниям в нете поменять этот параметр у меня почти не получилось. Но по-порядку.

Идея лечения

Итак, больному был поставлен диагноз "амнезия с последующим навязчивым состоянием", поэтому для лечения были испробованы много методов. Подошли два (ну, или полтора).

Основополагающим документом для лечения было вот это описание команд:
apc -fix.com/?r=attach2&a=dl&id=198

Также полезным оказалось руководство от apcupsd:
http://www.apcupsd.org/manual/manual.pdf ,
содержащее на странице 54 информацию о изначальных установках регистров для моей модели бесперебойника (формат изменён, чтобы удобнее было читать):

Модель: SUA1000I
Регистр 4: 07
Регистр 5: B5
Регистр 6: 13
Регистр 0: BC
Firmware: 652.12.I

Регистры 4-6 отвечают за какие-то внутренние процессы, нормального описания что они делают я так и не нашел. Но вот регистр 0 это изначальное состояние "качества" батареи. Если там будет 00, то бесперебойник считает батарею клинически мёртвой. Параметр изменяется в процессе эксплуатации самим бесперебойником (при самотестировании и при калибровке), но при замене батарей надо бы записать его назад, иначе будет не хорошо.

Итак, что прописать я знал, а вот осуществить переписывание....

В общем, при запросе версии прошивки я получал странный ответ "???.3.M ". Эти цифры описывают свойства бесперебойника. Последняя буква - регион. И буква M означает, что этот агрегат выпущен для канады. Вопросики - не отображаемые в данной кодировке консоли символы.

Анализ версии прошивки в старом формате показал, что это вообще стоечный вариант для серверов, а никак не тот "отдельный" бесперебойник, которым он на самом деле является. В общем, навязчивое состояние во всей красе. Судя по региону он считал себя Теренсом и Филлипом в одном флаконе...

Неприятными моментами тут были:

  1. бесперебойник считал, что у него четыре батареи (48в номинального напряжения, вариант же стоечный), а не две. При этом текущий заряд батарей из-за сбросившегося множителя АЦП контроля напряжения был на максимуме, и хотя батареи были при этом разряжены, он показывал их напряжение в 55 с лишним вольт;
  2. выходное напряжение по мнению бесперебойника было 208в (Канада, серверный вариант);
  3. входное напряжение также по мнению бесперебойника отличалось от 220в в розетке.
В общем, полный капут. И если научить его правильно измерять напряжения в розетке и на батарее еще можно (есть настройки, об этом далее), то четыре батареи... Хотя, на самом деле и это не проблема.

Лечение и его разновидности

Так как пациент считает себя другим человеком, почему бы не создать ему условия для нормальной работы? Считает он себя рыбой? Так убедим в том, что воздух это вода и пусть себе дышит этой "водой".

Напряжение в розетке влияет только на работу стабилизатора и моменты перехода на батарею. Поэтому, его вполне можно поправить как нужно для имеющейся версии с помощью масштабного коэффициента (через настройки).

Напряжение на выходе. Да пусть выдает, сколько ему хочется. Это поправится частично тем же масштабным коэффициентом, а также фактом того, что трансформатор внутри, обеспечивающий выходное напряжение, стоит от правильной модели.

Остаётся проблема с четыремя батареями. Но это не проблема. Берём масштабный коэффициент и меняем его так, чтобы 24в превратились в 48. Подключены 2 свинцово-кислотные батареи, которые в режиме поддержки (используемом в бесперебойнике для постоянного поддержания батарей в заряженном состоянии) требуют напряжение 2.32 В на ячейку, то есть для пары аккумуляторов это 2.32*6*2 = 27,84 В. Это при 20 градусах. А при бОльшей или меньшей температуре напряжение надо уменьшать или увеличивать на 0,025 В на градус. То есть для 27 градусов надо обеспечить примерно 17,6 В. На самом деле можно и чуть больше, лишь бы не превысить 29,5в, так как начнется бурное выделение водорода.

Запускаем консоль и включаем режим программирования, нажав 1, обождав 4 секунды и нажав еще раз 1. Получим ответ PROG.

Для просмотра номера модели надо послать ^A (то есть нажать Ctrl и не отпуская нажать латинскую A). Но в screen эта ^A отвечает за всякие настройки, поэтому там надо жать Ctr+A, отпускать, нажимать просто А, без контрола (маленькую а, без шифта).

У меня это действие вывело невообразимую чушь. Причем, исправить заблуждение через изменение модели бесперебойника (настройка b) мне так и не удалось.

Но оживить удалось, причем в результате двумя способами: убедить как есть и провести сеанс электрошоковой терапии (стереть память) с последующей психотерапией.

Калибруем батарею (точнее, их неправильное количество)

Попытаемся исправить проблему с неправильным количеством батарей путём коррекции измеряемого напряжения. Первым делом надо включить режим PROG. Запускаем консоль, нажимаем 1, ждём чуть больше трех секунд, опять жмём один. Любуемся на ответ PROG.

Жмем shift+b, чтобы послать заглавную B. В ответ я получим цифру вроде 55.74 , которую получил я (множитель был задвинут в максимальные FF). Это измеренное сейчас напряжение на батарее с учётом примененного множителя. При таких показаниях мой бесперебойник думал, что батарея заряжена по самое немогу и даже не пытался дозарядить.

А вот вольтметр показывал 26 с копейками, что весьма неприятно. Поэтому первой моей задачей было заставить бесперебойник заряжать батареи. То есть объяснить ему, что сейчас напряжение меньше нужного, а потом обеспечить правильное напряжение заряда.

Кстати, гелевые батареи бесперебойника требуют меньшего напряжения, так что надо обмануть бесперебойник и заставить выдавать столько, сколько надо нам, то есть считать, что он выдаёт МЕНЬШЕ, чем на самом деле.

Так что цепляем параллельно аккумуляторам вольтметр и начинаем крутить множитель следующим образом: после нажатия B беспребойник сообщает текущее измеренное значение, и если следующими посланными символами будут + или -, то он будет корректировать множитель (не так чтобы напрямую на единицу туда или сюда, но все же изменять), увеличивая или уменьшая его значение, что будет отражаться на измеренном напряжении батарей.

После нажатия + , беспербойник ответил 00 (что есть FF + 1, произошел переход через ноль) и я немедленно услышал щелчок реле и гул преобразователя, обеспечивающего заряд батареи. Ну и напряжение на батарее поползло вверх.

Жмём B, смотрим текущее напряжение. У меня было что-то вроде 11 вольт (множитель стал 0), теперь жмём попеременно + (можно несколько раз) и B и подгоняем вывод под нужный нам.
Вольтметр показывал 26,63 В, поэтому я постарался подогнать вывод B поближе к 53.0 (это удвоенные 26.5 В), чтобы бесперебойник не насиловал батарею, и в то же время был ближе к режиму заряда аккумуляторов с классическим электролитом, а не с гелевым (у них напряжение чуть меньше). При перелёте можно послать -, что уменьшит множитель.

После заряда батареи до почти полного состояния этот множитель также должен быть подогнан , чтобы получить 27,6-27,7 в на батареях, но уже не взирая на показания измеренного напряжения бесперебойника. Ну и еще несколько раз потом проконтролировано.

Прописываем начальные настройки.

Прежде всего - надо занести регистры 0 (состояние батареи) и 4, 5, 6. Жмем соответствующую цифру, посылая её бесперебойнику, смотрим на ответ и жмём + или -, чтобы получить нужное значение (см. нужные значения выше).

В таком состоянии уже идёт зарядка батарей, но надо настроить остальные параметры. Ну, удалось занести, настроить напряжения, переходы в тот или иной режим, запустить сервер и, смирившись с некоторыми непонятками в выводе проверить работу.

К сожалению, после приведения бесперебойника в относительно рабочее состояние, оценки связи с apcupsd, мне пришла в голову гениальная идея - вышибить клин клином - провести электрошок, то есть осуществить полный сброс настроек (команда ^Y). Поэтому описание настроек переключения на батареи я опишу в разделе второго метода лечения, так как точно не помню значений, которые были занесены в память и чего я там ему в первый раз накрутил.

Электрошоковая терапия

Итак, терять нечего, с командами разобрался, даже батареи зарядил (обязательная штука). Так почему не попробовать полностью сбросить настройки? Разве что факт, что я не мог быть на 100% уверен, удастся ли мне вообще достучаться до бесперебойника после сброса.

Так что если захотите повторить - вы сделаете это на свой страх и риск, и главное - ДЕЛАЙТЕ ЭТО ПОСЛЕ ЕДЫ, зарядив бесперебойник.

Первым делом запрещаем запуск apcupsd и выключаем сервер:

# systemctl disable apcupsd
# shudown now

После выключения переключаем сервер на питание от сети, а к бесперебойнику подбираем какую-нибудь известную нагрузку (пару ламп на 100 Вт, 220 В, к примеру). Далее включаем сервер (или другой компьютер, куда подключите бесперебойник) и нагрузку.

Если не запретить запуск apcupsd, то после сброса настроек, когда бесперебойник впадёт в маразм, есть шанс самоотключения сервера. Да и вообще, мешается он консоли пока что.

Переходим в консоль, запускаем screen, переходим в режим PROG и сбрасываем настройки, нажав Ctrl и Y. Возможно, надо нажать пару раз. В результате бесперебойник ответит OK и запустит панику (впадёт в кому).

У меня он сразу же вырубился и отказался оживать, цыкая при нажатии на питание и отрубаясь через доли секунды. Пришлось полностью отключить от сети и батарей, подцепить батареи, воткнуть в сеть и прижать кнопку включения и удерживать её. Далее он может включиться и пищать, а может и не включиться и молчать, главное сейчас - прописать множители для батарей и сети. Он думает, что напряжения на входе нет, батареи разряжены и вообще жизнь не удалась.

НО. Хотя бы на батареях, при нагло зажатой кнопке включения можно с ним пообщаться, работа

В консоли запускаем режим PROG и смотрим версию через ^Aa и через b. У меня после сброса он стал считать себя Smart-UPS 500 разновидности D, то есть для рынка США. То есть номинально батареи 24в (как оно и есть), но при этом напряжение сети 110в. То есть сильно не получшело, но хотя бы батареи правильно стали. Хотя, конечно же, хрен редьки не слаще.

Напряжение сети

Итак, мы имеем на руках идиота. Надо научить его хотя бы есть самостоятельно, то есть надо обеспечить включение от сети. Для чего надо хотя бы объяснить, что она есть.

Можно ознакомиться с номинальным выходным напряжением бесперебойника, нажав o (малое латинское O). Он ответит что-то вроде 110, 208 или 230, в зависимости от половой идентификации.

Теперь о напряжении на входе. Жмём L, получаем что-то вроде 210.7, то есть сколько вольт сейчас на входе бесперебойника. У меня после сброса оно было 000.0, то есть сеть не видать (множитель сбросился в ноль).

Пока что оно нам надо только для запуска, то есть в районе номинального выхода. Жмём + и L попеременно, (+ можно по нескольку раз), пытаясь довести до номинального для нашей модели бесперебойника (или сколько он там думает). То есть в моём случае до 110в. Точность рояля не играет, это потом нужно будет. Где-то в районе 100 (измеренного напряжение) в моём случае бесперебойник перешел из аварийного режима в относительно нормальный, перейдя на питание от сети.

Теперь жмём l (малая L), получаем наименьшее напряжение перехода на батареи. Я у себя я установил l, выбирая наименьшее значение (жал попеременно + и l, пока не определил минимум и на следующем цикле не оставил его). Я для своего "псевдоамериканца" поставил 97. Запоминаем это значение, оно далее пригодится.

Жмём u (малая U), это максимальное напряжение перехода на батареи (для защиты оборудования от перенапряжения). Смотрим какие есть варианты (жмём + и u), оставляем максимум (у меня 133). Записываем его.

Теперь надо решить при каких напряжениях должен происходить РЕАЛЬНЫЙ переход на батареи. Для чего надо знать, что обычно творится у вас в сети. И тут уж сами помучайтесь, периодически записывая напряжения в сети.

Но главное, нам надо определиться, какой диапазон нам приблизительно нужен. Например, в моей сети часто бывает меньше 200 В. Обычно это от 195 до 230 В. Меньше бывает редко, больше - крайне редко, хотя 324 В в розетке было, даже фото имеется.

Итак, есть интересующий дипазон , есть диапазон =. Нам надо определить какой множитель ставить в измеряторе напряжения. Считаем коэффициент a = 97/195=0.5 и b=133/230=0,58. Как видим, имеется очень "вкусный" вариант с коэффициентом 0.5, когда показания будут отличаться от реальных ровно в 2 раза. Надо только установить верхний предел переключения в 230*0,5=115в, хотя на самом деле современные приборы прекрасно будут работать при повышенном напряжении. Я снизил порог до 127в.

Далее, берем вольтметр, измеряем напряжение в розетке и подгоняем показания L к нужному. Для коэффициента 0,5 и напряжении в розетке 210в надо получить 210*0,5=105 в показаниях. Жмём + или - и контролируем нажимая L.

Батареи и их калибровка

Посмотреть номиральное напряжение батарей можно нажав g. До сброса показывало 48, после сброса начало показывать 24.

Как уже описывалось, подгоняем напряжение батарей к состоянию чуть меньше реального. нажимая B и +/-, котнтролируя B. Ну, только в данном случае мне уже можно было прописывать реальные вольты, а не удвоенные.

Прописываем начальные настройки

Регистры 0, 4, 5, 6 - как описано выше. Не забываем про них, особенно про 0, так как это коэффициент емкости батарей, описывает их "живость".

Корректное отображение нагрузки

Вот тут понадобится одна-две (а то и больше) ламп накаливания. Нагружаем бесперебойник и смотрим чего нам скажет про нагрузку, послав ему P (большое латинское p).

Мне изначально сообщило 000.0, так как множитель был сброшен. Жмём - и подгоняем по вкусу. Мне удалось довести до 032.1 при множителе FF для нагрузки примерно в 280 Вт (300Вт лампа при пониженном напряжении в сети). Это примерно соответствует номиналу, так как для лампы 280 Вт это как раз примерно 320-350 ВА, то есть треть от номинальных 1000 ВА бесперебойника).

Настраиваем оставшиеся параметры

1) Версия ПО процессора, получается по b. В руководствах в сети написано, что его можно изменить, нажав после этого + и введя новую версию. Но у меня и до, и после сброса оно принимало только 3 символа. Я прописал 652 и получил после сброса модель 652.3.D.

2) Идентификатор ИБП, получается по c. Жмём + и прописываем 8 символов нового идентификатора. У меня аккурат влезло SUA1000I.

3) Порог возврата питания после разряда батарей, получается по e, может принимать фиксированные значения (00, 15, 50, 90), перебираемые циклически по +/-. Поставил 15 (фактическое значение 01), чтобы после подачи питания он ожидал 15% заряда батарей. В противном случае если выключат свет и бесперебойник выключится, исчерпав заряд, а потом сразу после подачи питания включится, а свет снова выключат, то есть шанс получить аварийное выключение питания до отключения сервера, что не идёт на пользу жестким дискам...

4) Серийный номер ИБП, получается по n. Можно посмотреть на задней панели бесперебойника, под номером модели:

Я прописал свой. Кстати, первые две буквы - модель ИБП, первые две цифры (03) - год производства бесперебойника.

5) Дата производства ИБП, получаем по m, жмём + и прописываем что хотим. Например 01/01/03. Как-то в таком формате. Чисто информационная запись.

6) Дата последней замены батарей, получаем по x, чисто информационная. Аналогично дате производства прописал 01/01/15.

6) Чувствительность ИБП. получается по s, циклически переключается +/-, возможные значение H,M,L,A (высокая, средняя, низкая, авто, и у меня нет A.) Выставил M.

7) Количество подключенных доп. батарей, получаем по >. До сброса было 255, что весьма забавно. После стоял 0, что я и оставил.

Точная калибровка напряжения заряда аккумуляторов и времени работы от батарей

Нам надо обеспечить зарядку корректным напряжением. Для чего до полной зарядки (пока не покажет 100% заряда и даже после этого несколько раз в течение дня-двух) производим контроль напряжения батарей (режиме PROG посылаем B) и производим коррекцию множителя так, чтобы напряжение выдаваемое бесперебойником на батареи не превысило выбранный максимум (напоминаю, для моих батарей это 27,6 В). На цифры возвращаемые B не смотрим, а контролируем вольтметром реальное напряжение на батарее и соответственно корректируем множитель B.

Помним, что если на батарее напряжение больше необходимого, то жмём B, затем + и ждём некоторое время,а если меньше необходимого, то B и - и тоже чутка ждём. Время ожидания тем меньше, чем ближе заряд к 100%.

Для контроля степени заряда из консоли жмём f, получим что-то вроде 085.0 для 85% заряда. Подчёркиваю, что это МНЕНИЕ бесперебойника и оно будет правильным только после КАЛИБРОВКИ ЕМКОСТИ.

Калибровка емкости

Для этого нам снова понадобятся лампочки. В идеале - на половину мощности бесперебойника. То есть для 1000 надо бы надыбать 400 Вт нагрузки. Хотя хватит по идее и 200.

Закрываем консоль связи, для чего открываем новое окно терминала и убиваем screen:

# killall screen

Screen в соседнем окне терминала вылетит в командную строку с криком:

Terminated

Запускаем утилиту apctest, который после некоторого тупления и общения с бесперебойником выдаст меню:

# apctest

2016-07-22 16:19:55 apctest 3.14.12 (29 March 2014) redhat
Checking configuration ...
sharenet.type = Network & ShareUPS Disabled
cable.type = Custom Cable Smart
mode.type = APC Smart UPS (any)
Setting up the port ...
Doing prep_device() ...

You are using a SMART cable type, so I"m entering SMART test mode
Hello, this is the apcupsd Cable Test program.
This part of apctest is for testing Smart UPSes.
Please select the function you want to perform.

1) Query the UPS for all known values
2) Perform a Battery Runtime Calibration
3) Abort Battery Calibration
4) Monitor Battery Calibration progress
5) Program EEPROM
6) Enter TTY mode communicating with UPS
Q) Quit

Солнце является первичным и основным источником энергии для нашей планеты. Именно благодаря ему на 3емле накоплены запасы углеводородов, то есть нефти, угля, торфа, которые в настоящее время человечеством активно потребляются. Следует так же учитывать, что энергия ветра формируется за счет перепадов температур, обусловленных тепловым воздействием Солнца на землю, поэтому Солнце так же является первоисточником ветрогенерации.

Каждую секунду солнце излучает 3,75х10 26 Дж. На Землю попадает примерно 2 миллиардных доли этой энергии, из которых ~37% сразу отражается обратно в космос. Т.о. на Землю попадает лишь 6,3х10 17 Дж (за год 7х10 17 кВтч). Один Киловатт-час - это то количество энергии, которое требуется для работы одной лампочки накаливания мощностью 100 Вт в течение 10 часов. От всех источников энергии человечество потребляет приблизительно 2.5х10 16 кДж/год. Таким образом, энергия получаемая Землей от Солнца за счет излучения, в 8000 раз больше чем необходимо человечеству для удовлетворения всех его потребностей.

Учёные подсчитали, что запасы различных углеводородов на 3емле составляют примерно 6 триллионов тонн. Если исходить из этой цифры, то содержащуюся в них энергию Солнце отдает нашей планете всего за три недели. При этом резервы его настолько велики, что в таком режиме оно сможет функционировать еще около 5 миллиардов лет. Подсчитано, что земные растения и морские водоросли утилизируют примерно 34% поступающей от Солнца энергии, остальная же практически полностью теряется.

Исходя из расчетов, если покрыть 0,7% земной поверхности солнечными батареями, КПД которых составляет 10% (а в среднем КПД современных батарей 15%-40%), то полученная энергия обеспечит потребности всего человечества более чем на 100%. Если бы человек сумел взять для удовлетворения своих потребностей хотя бы один процент поступающей от Солнца энергии, то это решило бы энергетические проблемы человечества на много веков вперёд.

Что влияет на количество выработанного электричества?

Географическое положение. Количество солнечной энергии зависит и от географического месторасположения участка: чем ближе к экватору, тем оно больше.

Время года. Объём солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отличается от среднегодового значения: в зимнее время его показатель минимален, в то время как летом достигает максимального значения.

Природные явления (осадки). Во время дождя или снега небо плотно затянуто тучами, и вследствие этого количество солнечной радиации, достигающей поверхности земли, уменьшается.

Тень от деревьев, домов. В тени количество солнечной радиации меньше, чем непосредственно на солнце. Это объясняется тем, что, попав на препятствие в виде дома или дерева, она рассеивается.

КПД солнечной фотовольтаической панели. Он определяется путём деления мощности электрической энергии на мощность солнечного света, падающего на панель. На сегодняшний день среднее значение этого показателя на практике составляет 12-25%.

Солнечная установка для дома

Солнечная электростанция для дома необходима в следующих случаях:

  • Когда имеется ограничение по выделенной мощности у поставщика электроэнергии, например, ограничения в СНТ, в связи с ограниченной мощностью вводного трансформатора;
  • Когда дома удалены от трансформаторной подстанции настолько, что протянуть к ним кабель или провода окажется по стоимости несоизмеримо с приобретением автономного источника электроэнергии;
  • Когда надо обеспечить бесперебойное питание какой-нибудь системы, например, компьютерной сети или охранной сигнализации. В этом случае, необходимо уделить особое внимание емкости банка АКБ.

Несмотря на низкий пока еще КПД, солнечные батареи являются эффективным источником электроэнергии среди автономных и альтернативных источников питания. Одна батарея солнечных элементов площадью 10 квадратных метров способна дать больше 1 кВтч мощности, а это обеспечит нормальную работу нескольких лампочек, телевизора и компьютера.

Для загородного дома, в котором проживают 3-4 человека, в весенне-летний период и в светлое время дня может оказаться достаточно 20 квадратных метров площади солнечных батарей (это примерная ежемесячная выдаваемая мощность — 200-300 кВтч, для Московской Области летом больше, зимой меньше).

Покупая устройства для преобразования солнечной энергии в электрическую, хозяин дома обретает частичную независимость от поставщика энергии и может в перспективе, расширяя систему получает столько электроэнергии, сколько ему может понадобиться в будущем.

Для обретения полной энергонезависимости, вероятно потребуется выбрать более мощную солнечную установку, по сравнению с большинством типовых предложений на рынке, еще один вариант - установить дополнительный дизель- или газовый генератор, который будет включаться если «все совсем плохо» - пасмурно несколько дней подряд или засыпало снегом. Но, возможно, это и не нужно?

Солнечная установка для предприятия

Солнечное электричество возможно использовать для обеспечения электроэнергией разного рода предприятий - вокзалы, торговые центры, парковки, дата-центры - перечень объектов можно продолжить на несколько страниц.

При создании солнечных установок для промышленных объектов, применяют сетевые (on grid) трехфазные инверторы, мощностью от 10 кВА и выше, в зависимости от требований. Данный тип инверторов работает исключительно при наличии напряжения в сети, синхронизация выходной мощности по напряжению и частоте основной сети электроснабжения.

В случае отключения основного электропитания, остановится и солнечная генерация. Поэтому нет возможности использования таких инверторов в качестве резервного источника питания.

Оборотная сторона этого обстоятельства - отсутствие необходимости в банке АКБ, который может стоить не менее 1/3 от стоимости всей системы. Косвенно, это ускоряет окупаемость проекта на 30-40%.

Основное преимущество установки солнечных панелей на предприятиях - это конечно же существенная экономия электроэнергии. Расчеты показывают, что при условии корректной установки и эксплуатации, для большинства случаев, любая промышленная установка вернет вложенные средства в течение 3-5 лет. Эта цифра получена для московского региона. За счет чего экономия?

  • Коммерческий объект потребляет большое количество электроэнергии, это означает, что практически все солнечное электричество будет использовано;
  • Часто, пик потребления коммерческого объекта совпадает с пиком солнечной генерации. Пример: лето, солнце в зените, магазин продуктов, максимальное потребление электроэнергии системами кондиционирования и холодильным оборудованием;
  • Стоимость киловатт часа для юридических лиц, до настоящего момента была всегда выше, чем для физических - это косвенный фактор, но он уменьшает срок окупаемости;
  • Возможность увеличения подключенной мощности, без согласования с энергосбытовой компанией.

Солнечные электростанции

Солнечная электростанция - инженерное сооружение, служащее для преобразования солнечной радиации в электрическую энергию.

Солнечные электростанции разделяются на два больших класса:

Солнечные электростанции, использующие для преобразования энергии фотовольтаические ячейки, объединенные в батареи солнечных элементов (панели). Это наиболее распространенный вид преобразования. Все что было написано выше - относится к данным электростанциям. Объем генерации станции зависит от количества установленных солнечных панелей.

Этот вид электростанций подойдет либо для сетевых генерирующих компаний, представители которых навряд ли будут читать данный материал, либо для отдельно стоящих населенных пунктов с хорошей годовой инсоляцией.

Большое количество людей, проживающих в отдаленных уголках нашей родины, отрезаны от основных генерирующих мощностей. Электричество вырабатывается с помощью дизель-генераторов, а это очень дорогое электричество. Установка солнечной электростанции - приносит немедленный экономический эффект.

Основной недостаток фотовольтаической генерации - невозможность работы в ночное время суток и необходимость установки либо дополнительного генератора, либо большого банка АКБ.

Второй большой класс - солнечные электростанции, использующие тепловую энергию . Идея метода - нагревание теплоносителя с помощь солнечного излучения и подача получаемого пара на лопатки турбины генератора. Электростанции этого класса могут быть башенного и модульного типа.

В башенных солнечных электростанциях (СЭС) используется центральный приемник (емкость с теплоносителем) окруженный сфокусированной на нем обширной системой зеркальных элементов. Для максимальной передачи тепла, каждый зеркальный элемент оснащен следящей за солнцем системой. «Солнечные зайчики» фокусируются на центральном приемнике и превращаю теплоноситель пар. Пар подается на лопатки генератора, а его избыток аккумулируется внутри дополнительного резервуара, этот избыток используется для генерации электроэнергии в ночное время суток. Главным недостатком башенных солнечных электростанций являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь, но если с площадь в избытке, то строительство такой СЭС экономически оправдано.

Идея, лежащая в основе работы солнечных электростанций башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако первое строительство СЭС этого типа состоялось только в 1965г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

Одной из крупнейших башенных станций на сегодня является станция Ivanpah Solar Electric Generating System в Калифорнии. Она включает в себя три башни высотой с 40-этажные здания, а также 350 000 зеркал размером с дверь гаража. Зеркала отражают солнечный свет на котлы на вершинах башен, создавая пар, который заставляет работать генераторы. Пиковая мощность электростанции 392 мВт, она может снабжать электричеством 140 тысяч домохозяйств.

В модульных солнечных электростанциях используется большое число модулей, в каждом из которых имеется параболо-цилиндрический концентратор солнечного излучения и физически соединенный с электрогенератором приемник. Физический принцип аналогичен башенным СЭС, но технически, каждый модуль теперь является миниэлектростанцией, подключающейся к сети генерирующей компании.

Стоимость установки солнечной генерации. И когда это все окупится?

Объективно, имеется тенденция к постоянному уменьшению стоимость солнечных электростанций, это приводит к постоянному удешевлению выработанной ими электроэнергии и снижению сроков окупаемости подобных проектов. На сегодняшний день наблюдается постепенное уравнивание цен на «солнечные» киловатт-часы и киловатт-часы, полученные традиционным способом.

Анализ окупаемости учитывает такие факторы как: тип и целевое назначение солнечной электростанции, ее географическое место расположения, мощность, а также стоимость альтернативных решений, с которыми она будет сравниваться.

Стоимость существенно зависит от поставленных задач. Для дачного дома с летним проживанием и небольшими подключенным мощностями стоимость будет одна, для коттеджа с круглогодичным проживанием, стоимость увеличится пропорционально подключаемой мощности. Для коммерческого объекта стоимость подключенного киловатта часто ниже, т.к. во многих случаях отсутствует необходимость в батарее АКБ.

Срок окупаемости электростанции коммерческого объекта 3 - 5 лет, дачная система, при использовании только по выходным, окупаться будет значительно дольше (не менее 15 лет). Солнечная установка коттеджа с постоянным проживанием окупится за 7-10 лет.

Многое зависит от стоимости кВт*ч, по которому заказчик покупает электроэнергию у государства и региона установки.

Иногда компании-инсталляторы стремятся «продавать мечту», обещая практически мгновенную окупаемость солнечной установки в домохозяйстве. В каком-то проценте случаев - так и получится, но таких случаев по опыту - меньше 20%. Срок окупаемости в большей степени зависит не от цены установки, не от производителя и даже не от цены киловатт часа, а от того как именно вы потребляете электроэнергию. Если потребление небольшое, то окупаться она будет долго. Хорошая новость в том, что при малом потреблении можно существенно уменьшить первоначальные затраты.

Солнечная установка в небольшом домохозяйстве - в первую инструмент комфорта и независимости, во вторую - способ экономии.

Преимущества и недостатки

К преимуществам солнечных батарей следует отнести:

  • Общедоступность и неисчерпаемость источника энергии (солнца);
  • 100% экологическая безопасность;
  • Возможность длительного использования - срок эксплуатации составляет 25 и более лет;
  • Электричество от солнечных батарей поступает полностью автономно;
  • После установки - бесплатная энергия;
  • Для установки солнечных батарей не требуется никаких согласований.

Одновременно с этим они имеют и ряд недостатков:

  • высокие первоначальные затраты и недостаточный КПД.
  • Низкая эффективность в зимнее время, а также при пасмурной и туманной погоде.
  • Потребность в дополнительном оборудовании (аккумуляторах, инверторах и т. д.) и вспомогательных помещениях для его размещения.
  • Зависимость от времени года в определенных климатических поясах.

Альтернативные источники энергии, позволяющие обеспечить жилое помещение теплом и электричеством в необходимом объеме – недешевое «удовольствие», требующее значительных финансовых затрат на приобретение, монтаж и установку.

Сделать же солнечный генератор своими руками значительно дешевле и вполне по силам многим домашним мастерам. Рассмотрим инструкцию, доступно описывающую все нюансы процесса изготовления.

Солнечный генератор представляет собой комплекс фотоэлектрических полупроводниковых элементов, напрямую преобразующих энергию солнца в электрическую.

Кванты вырабатываемого лучами света при попадании на фотопластину выбивают электрон с заключительной атомной орбиты рабочего элемента. Этот эффект создает множество свободных электронов, которые и образуют непрерывный поток электрического тока.

Совсем не обязательно, монтируя своими руками солнечный генератор, сразу собирать большой, масштабный комплекс. Можно начать с маленького агрегата, а при необходимости в будущем нарастить объемы

В качестве действующего материала используют кремний. Он отличается высокой эффективностью и обеспечивает коэффициент фотоэлектрического преобразования в обычном режиме на уровне 20%, а при благоприятных условиях — до 25%.

Благодаря выраженной эффективности кремниевых фотоэлементов генераторы, сделанные на их основе, гарантируют высокую отдачу при сравнительно небольшом объеме. Мощность агрегата размером в 1 метр под час выдает 125 Вт, что считается весьма внушительным результатом

На одну сторону пластины кремния наносят тонкое покрытие из пассивных химических элементов – бора или фосфора. Именно на этой поверхности в результате интенсивного воздействия солнечных лучей происходит активное высвобождение электронов. Фосфорная пленка надежно удерживает их в одном месте и не позволяет разлетаться.

На самой рабочей пластине располагаются металлические «дорожки». На них строятся свободные электроны, создавая таким образом, упорядоченное движение, то есть, электрический ток.

К минусам пластин относят только сложность и затратность процесса очистки самого кремния, и, чтобы избежать этих проблем, активно осваивают использование альтернатив в виде галлия, кадмия, индия и различных соединений меди. Однако пока что реальных конкурентов у кремниевых элементов еще нет.

Что нужно для работы?

Для изготовления генератора в домашних условиях требуются такие инструменты и материалы, как:

  • модули для преобразования солнечных лучей в энергию;
  • алюминиевые уголки;
  • деревянные рейки;
  • листы ДСП;
  • прозрачный элемент (стекло, плексиглас, оргстекло, поликарбонат) для создания защиты для пластин кремния;
  • саморезы и шурупы разных размеров;
  • плотный поролон толщиной 1,5-2,5 мм;
  • качественный герметик;
  • диоды, клеммы и провода;
  • шуруповерт либо набор отверток;
  • паяльник;
  • ножовка по дереву и металлу (либо болгарка).

В каком объеме понадобятся материалы, будет напрямую зависеть от запланированного размера генератора. Масштабная работа повлечет за собой дополнительные расходы, но в любом случае обойдется дешевле, чем покупной модуль.

Защитную основу для кремниевых пластин можно делать из стекла, оргстекла, поликарбоната или плексигласа. Первые три материала создают минимальную потерю преобразуемой энергии, а вот четвертый пропускает лучи значительно хуже и заметно снижает эффективность всего комплекса

Для конечного тестирования собранного агрегата используют амперметр. Он позволяет зафиксировать реальное КПД установки и помогает определить фактическую отдачу.

Как правильно выбрать тип фотопреобразователя?

Мероприятия по созданию своими руками солнечного генератора начинают с выбора типа фотоэлектрического кремниевого преобразователя. Эти составляющие бывают трех видов:

  • аморфные;
  • монокристаллические;
  • поликристаллические.

Каждый вариант имеет свои достоинства и недостатки, а выбор в пользу любого из них делают, исходя из объема средств, выделенных на покупку всех компонентов системы.

Аморфные преобразователи

Аморфные модули состоят не из кристаллического кремния, а из его производных (силан или кремниеводород). Путем напыления в вакууме, их тончайшим слоем наносят на высококачественную металлическую фольгу, стекло или пластик.

Готовые изделия имеют блеклый, размыто-серый оттенок. Видимые кристаллы кремния на поверхности не наблюдаются. Основным достоинством элементов считается доступная цена, однако, КПД их очень невелико и колеблется в диапазоне 6-10%.

Аморфные фотоэлементы, изготовленные на основе кремния, обладают повышенной гибкостью, демонстрируют высокий уровень оптического поглощения (в 20 раз больший, чем у моно- или поликристаллических аналогов) и значительно более эффективно работают в пасмурную погоду

Поликристаллические преобразователи

Поликристаллические фотоэлементы производят при постепенном очень медленном охлаждении кремниевого расплава. Получившиеся изделия отличаются насыщенным синим цветом, имеют поверхность с четко выраженным рисунком, напоминающим морозный узор, и проявляют эффективность в районе 14-18%.

Дать более высокую КПД-производительность мешают наличествующие внутри материала области, отделенные от общей структуры зернистыми границами.

Поликристаллические фотоэлементы работают в течение всего 10 лет, но за это время их эффективность не снижается. Однако для монтажа изделий в единый комплекс обязательно используется прочная, твердая основа, так как листы довольно жесткие и требуют крепкой, надежной поддержки

Монокристаллические преобразователи

Монокристаллические модули характеризуются плотным темным цветом и состоят из цельных кристаллов кремния. Их эффективность превышает показатели прочих элементов и составляет 18-22% (при благоприятных условиях – до 25%).

Еще одним достоинством считается впечатляющий срок службы – по заявлению производителей свыше 25 лет. Однако, при продолжительном использовании КПД монокристаллов падает и спустя 10-12 лет фотоотдача уже составляет не более 13-17%.

Модули из монокристаллов стоят значительно дороже, чем другие виды оборудования. Производят их посредством распиливания искусственно выращенных кристаллов кремния

Для создания солнечного генератора дома своими руками преимущественно берут поли- и монокристаллические пластины различных габаритов. Их приобретают в популярных интернет-магазинах, в том числе на eBay или Алиэкспресс.

Из-за того, что фотоэлементы ценятся довольно высоко, многие поставщики предлагают покупателям продукцию группы B, то есть пригодные к полноценной эксплуатации фрагменты с небольшим дефектом. Их стоимость отличается от стандартной цены на 40-60%, благодаря чему сбор генератора обходится в разумную цену, не слишком бьющую по карману.

Как сделать каркас для пластин?

Для изготовления каркаса будущего генератора используют прочные деревянные рейки или алюминиевые уголки. Деревянный вариант считается менее практичным, так как материал требует дополнительной обработки во избежание последующего гниения и расслаивания.

Чтобы деревянный каркас выдержал эксплуатационную нагрузку и не сгнил уже после первого дождя, его необходимо пропитать специальным составом, предохраняющим дерево от воздействия влаги

Алюминий имеет гораздо более привлекательные физические характеристики и благодаря своей легкости не оказывает лишней нагрузки на крышу или другую опорную конструкцию, куда планируется установить агрегат.

Кроме того, за счет антикоррозийного покрытия металл не ржавеет, не гниет, не впитывает влагу и легко переносит воздействие любых агрессивных атмосферных проявлений.

Для создания каркасной конструкции из алюминиевых уголков сначала определяют размер будущей панели. При стандартном варианте на один блок используют 36 фотоэлементов размером 81 мм х 150 мм.

Для корректности последующей эксплуатации между фрагментами оставляют небольшой зазор (около 3-5 мм). Это пространство позволяет учесть изменение базовых параметров основы, подвергшейся воздействию атмосферных проявлений. В результате общий размер заготовки составляет 83 мм х 690 мм при ширине уголка каркаса в 35 мм.

Кремниевые пластины, уложенные в рамку из алюминиевого профиля, выглядят почти как изделия фабричного производства. Прочный и крепкий каркас обеспечивает системе безупречную герметичность и наделяет всю конструкцию высоким уровнем жесткости

После определения размеров из уголков выкраивают необходимые фрагменты и с помощью крепежных элементов собирают их в каркасные рамки. На внутреннюю поверхность конструкции наносят слой силиконового герметика, очень внимательно следя, чтобы не было пропусков и пустот. От этого зависит целостность, прочность и долговечность монтируемой конструкции.

Сверху укладывают защитный прозрачный материал (стекло с антибликовым покрытием, оргстекло либо поликарбонат со специальными параметрами) и надежно крепят его с помощью метизов (по 1 с короткой и по 2 с длинной части рамы и 4 по углам корпуса). Для работы используют шуруповерт и шурупы подходящего диаметра. В конце прозрачную поверхность аккуратно очищают от пыли и мелкого мусора.

Выбор прозрачного элемента

Основные критерии выбора прозрачного элемента для создания генератора:

  • способность к поглощению ИК-излучения;
  • уровень преломления солнечного света.

Чем ниже показатель преломления, тем выше КПД продемонстрируют кремниевые пластины.

Наиболее низким коэффициентом светоотражения обладают плексиглас и оргстекло. Поликарбонат тоже имеет далеко не лучшие показатели. Для создания каркасных конструкций под домашние гелиосистемы рекомендуется по возможности использовать антибликовое прозрачное стекло или специальный вид поликарбоната с антиконденсатным покрытием, обеспечивающим необходимый уровень термической защиты.

Самыми лучшими характеристиками в плане поглощения ИК-излучения обладают прочное термопоглащающее оргстекло и стекло с опцией ИК-поглощения. У простого стекла эти показатели значительно ниже. От эффективности ИК-поглощения зависит, будут ли греться в процессе эксплуатации кремниевые пластины или нет.

Если нагрев окажется минимальным, фотоэлементы прослужат долго и обеспечат стабильную отдачу. Перегрев пластин приведет к перебоям в работе и быстрому выходу из строя отдельных фрагментов системы или всего комплекса.

Установка кремниевых фотоэлементов

Непосредственно перед установкой защитные стекла, уложенные в алюминиевые рамы, хорошо очищают от пыли и обезжиривают спиртосодержащим составом.

Купленные фотоэлементы ровно располагают на разметочной подложке на расстоянии 3-5 миллиметров друг от друга и делают маркировку углов общей конструкции. Затем приступают к пропайке элементов — самому важному и трудоемкому отрезку работы по сборке генератора.

Пропайку действующих элементов генератора осуществляют по схеме, в которой «+» являются дорожки на внешней стороне, а «-» — каналы, расположенные на изнаночной части пластины. Для корректного соединения контактов сначала наносят флюс (кислота для паяния) и припой, а потом осуществляют обработку в строгой последовательности сверху вниз. В конце все ряды соединяют между собой.

Следующим шагом делают проклейку фотоэлементов. Для этого в центр каждой пластины из кремния выдавливают немного герметика, образовавшиеся цепочки элементов переворачивают внешней стороной вверх и размещают в строгом соответствии с разметкой, нанесенной ранее. Аккуратно руками прижимают пластины, фиксируя их на нужном месте. Действуют очень осторожно, стараясь не повредить и не согнуть материал.

Контакты фотоэлементов, расположенных по краям, выводят на отдельную шину (широкий серебряный проводник), как «+» и «-». Дополнительно комплекс оснащают блокирующим диодом. Соединяясь с контактами, он не дает аккумуляторам разрядиться через каркасную конструкцию в ночное время суток.

В донной части каркаса проделывают дрелью отверстия, через которые провода выводят наружу. Чтобы они не провисали, используют в работе силиконовый герметик.

Как протестировать смонтированный агрегат?

Перед тем, как окончательно загерметизировать собранный генератор, его обязательно тестируют, чтобы выявить потенциально возможные в процессе пайки неисправности. Самый разумный вариант — проверять каждый пропаянный ряд отдельно. Так сразу станет понятно, где контакты соединены плохо и требуется повторная обработка.

Для проведения теста используют бытовой амперметр. Замер осуществляют в безоблачный солнечный день в обеденное время (период с 13 до 15 часов). Конструкцию располагают во дворе и устанавливают под соответствующим углом наклона.

Бытовой амперметр помогает измерить фактическую силу тока. На основании его показаний можно определить уровень работоспособности смонтированной гелиосистемы и выявить нарушения в последовательности соединения кремниевых фотоэлементов

К выведенным контактам солнечной батареи подключают амперметр и осуществляют замер тока короткого замыкания. Если прибор показывает результаты выше 4,5 А, система полностью корректна и все соединения пропаяны четко и правильно. Более низкие данные, появившиеся на дисплее тестера, говорят о нарушениях, которые необходимо отследить и заново перепаять.

Традиционно солнечные генераторы, сконструированные своими руками из фотоэлементов с небольшим дефектом (группа B) на тесте демонстрируют цифры от 5 до 10 Ампер. Агрегаты фабричного производства показывают данные на 10-20% выше. Это объясняется тем, что в производстве используются кремниевые пластины группы А, не имеющие никакого брака в структуре.

Завершающий этап работы

Если тест показал, что батарея полностью работоспособна, ее герметизируют специальным силиконовым герметиком или более дорогим и прочным эпоксидным компаундом. Работа предусматривает два способа проведения.

  1. Полная заливка – когда всю поверхность покрывают герметическим составом.
  2. Частичная обработка – когда герметик наносят только на крайние элементы и пустое пространство между элементами.

Первый вариант считается более надежным и обеспечивает системе полноценную защиту от воздействия внешних факторов. Фотоэлементы четко фиксируются на своих местах и корректно работают с максимальной отдачей.

Для проклейки фотоэлементов внутри корпуса желательно использовать морозостойкий герметик, способный выдерживать резкие температурные перепады и низкие минусовые показатели

Когда заливка осуществлена, герметику дают «схватиться». Затем прикрывают прозрачным элементом и плотно прижимают к пластинам.

С целью обеспечения дополнительной защиты и амортизации некоторые мастера рекомендуют между поверхностью кремниевой плиты и задней частью каркаса размещать плотный поролон. Это сделает конструкцию более цельной и предохранит от лишней нагрузки хрупкие фотоэлементы

Потом на поверхности размещают груз, который воздействует на слои и выдавливает из них пузырьки воздуха. Готовый генератор тестируют еще раз и окончательно монтируют на заранее подготовленное место.

Где и как разместить генератор?

Место установки солнечного генератора выбирают очень внимательно и без спешки. Пластины, принимающие свет, обязательно размещают под наклоном, чтобы лучи не «падали» на поверхность перпендикулярно, а как бы аккуратно «стекали» по ней. В идеале конструкцию располагают так, чтобы оставалась возможность в случае надобности корректировать угол наклона, таким способом, «улавливая» максимальное количество солнца.

Вполне допустимо поставить гелиосистему на земле, но чаще всего для размещения выбирают крышу дома или подсобного помещения, а именно ту ее часть, что выходит на самую освященную, преимущественно южную сторону участка. Очень важно, чтобы рядом не было высоких зданий и мощных, раскидистых деревьев. Находясь в непосредственной близости, они создают тень и мешают полноценной работе агрегата.

Чтобы солнечные установки качественно работали, их необходимо поддерживать в чистоте и порядке. Слой грязи, образовавшийся на поверхности улавливающей панели, снижает эффективность на 10%, а налипший снег и вовсе отключает агрегат. Поэтому регулярное обслуживание является обязательной процедурой и способствует поддержанию модулей в идеальном эксплуатационном состоянии

Средне-оптимальным для установки солнечного генератора считают уровень угла наклона крыши в 45⁰. При таком расположении фотоэлементы поглощают солнечный поток очень эффективно и выдают необходимый для корректного обеспечения жизнедеятельности дома объем энергии.

Чтобы получить от панелей реальную отдачу и обеспечить среднестатистическую семью нужным количеством энергии, придется занять под солнечный генератор 15-20 кв.м поверхности кровли

Для европейской части государств СНГ действуют несколько другие показатели. Профессионалы рекомендуют брать за основу угол стационарного наклона в 50-60⁰, а в подвижных конструкциях во время зимнего сезона располагать батареи под углом 70⁰ к горизонту.

Летом же менять положение и наклонять фотоэлементы под углом 30⁰.

Установив панели генератора на трек-систему, оборудованную опцией автоматического слежения за солнцем, можно повысить эффективность отдачи на 50%. Модуль самостоятельно выявит интенсивность лучей и будет подстраиваться под максимальную освещенность от рассвета и до заката

Непосредственно перед монтажом крышу дополнительно укрепляют и оснащают специальными прочными опорниками, так как далеко не всякая конструкция обладает способностью выдержать полный вес оборудования для преобразования солнечной энергии.

Чтобы надежно и прочно установить солнечный генератор на крыше, стоит приобрести специальные крепления. Они выпускаются отдельно под каждый тип кровельного покрытия и всегда имеются в продаже. При монтаже между панелями и крышей нужно обязательно оставить зазор для полноценного доступа воздуха и корректной вентиляции солнцепоглощающих элементов

В некоторых случаях под кровлей ставят усиленные стропила, предохраняющие крышу от обрушения, потенциально возможного из-за повышенной нагрузки, существенно возрастающей в зимний сезон, когда на кровельной поверхности скапливается снег.

Выводы и полезное видео по теме

Особенности и нюансы пропайки фотоэлементов для изготовления своими руками в домашних условиях эффективного солнечного генератора. Подсказки и советы для мастеров, любопытные идеи и личные наработки.

Как правильно протестировать фотоэлемент и замерить его основные параметры. Эта информация пригодится при последующих расчетах точного количества пластин, необходимых для полноценной работы системы.

Полное пошаговое описание процесса сбора солнечной батареи для генератора в домашних условиях. Правила работы, начиная от приобретения нужных элементов и заканчивая общим тестом изготовленного прибора.

Зная об устройстве солнечных генераторов, собрать их дома не составит большого труда. Конечно, работа потребует внимания, аккуратности и скрупулезности, но результат оправдает все финансовые и трудовые затраты. Готовый агрегат в полном объеме обеспечит здание теплом и электроэнергией, создав для проживающих необходимый уровень комфорта.

Сразу замахиваться на крупный проект не стоит. Для начала имеет смысл попробовать свои силы на сборке небольшого агрегата, а затем, полностью овладев всеми нюансами процесса, приступить к сооружению более мощной и масштабной установки.

Все комментарии о перспективах солнечной энергетики делятся на 2 категории: «Вот молодцы, а мы только нефть жгем» и "EROEI ! Производство солнечных батарей требует больше энергии чем они производят!".

Въедливый читатель наверняка подумает: Как это производит меньше, чем требуется на производство? Их же поставил - они работают, каши не просят, 10 лет, 50 лет, 100 лет - значит суммарная произведенная энергия равна бесконечности, и они должны быть выгодны при любой стоимости постройки…

Как обстоит все на самом деле, какие есть подходы к солнечной генерации, что ограничивает КПД солнечных элементов, какие гениальные идеи уже были реализованы и почему солнечная энергетика как-то не активно захватывает мир - см. ниже.

Сколько энергии мы получаем от солнца?

На каждый квадратный метр от солнца приходит 1367 Ватт энергии (солнечная постоянная). До земли через атмосферу - доходит порядка 1020 Ватт (на экваторе). Если у нас КПД солнечного элемента 16% - то с квадратного метра мы можем получать в лучшем случае 163,2 Ватта электричества. Но ведь у нас есть погода, солнце не в зените, иногда бывает ночь (разной длительности) - как это все посчитать?

Годовая инсоляция все это учитывает, включая и тип установки солнечной батареи (параллельно земле, под оптимальным углом, со слежением за солнцем) и дает нам понять, сколько электричества можно будет выработать за год в среднем (в кВт*ч/м 2 , без учета КПД солнечной батареи):

Т.е. мы видим, что если мы возьмем 1 км2 солнечных батарей, установим под оптимальным углом в Москве (40.0°), то за год сможем выработать 1173*0.16 = 187.6 ГВт*ч. При цене 3 рубля за кВт/ч _условная_ стоимость сгенерированной энергии будет - 561 млн рублей. Почему условная - выясним ниже.

Основные подходы к получению энергии от солнца

Солнечные тепло-электространции

Огромное поле поворачиваемых зеркал отражает солнце на солнечный коллектор, где тепло превращается в электроэнергию двигателем Стирлинга, или нагревом воды и далее - обычные паровые турбины как на ТЭЦ. КПД - 20-30%.


Также существует вариант с линейным параболическим зеркалом (поворачивать нужно только вокруг одной оси):


Какова цена вопроса? Если посмотреть на электростанцию Ivanpah (392 МВт) в которую опосредованно вложился Google - стоимость её строительства составила 2.2 млрд $, или 5612$ на кВт установленной мощности. В Википедии даже радостно написано, что это хоть и дороже угольных электростанций, но якобы дешевле атомных.

Однако тут есть пара нюансов - 1кВт установленной мощности на АЭС стоит на самом деле 2000-4000$ (в зависимости от того кто строит), т.е. Ivanpah на самом деле уже получается дороже АЭС. Затем, если посмотреть на годовую оценку выработки электроэнергии - 1079 ГВт*ч, и разделить на количество часов в году, то среднегодовая мощность получается 123.1МВт (ведь станция у нас генерирует только днем).

Это доводит «усредненную» стоимость строительства до 17871 $/кВт, что не просто дорого, а фантастически дорого. Дороже наверное только в космосе электричество вырабатывать. Обычные электростанции на газе обходятся в 500-1000$/кВт, т.е. в 18-36 раз дешевле , и работают всегда, а не как повезет.

И последнее - в стоимость строительства не включены аккумуляторы, вообще. Если сюда добавить аккумуляторы (о них ниже) или строительство гидроаккумулирующей электростанции - стоимость вылезет через крышу.

У солнечных теплоэлектростанций есть возможность генерировать электричество круглосуточно, используя большой объем нагретого за день теплоносителя. Такие станции тоже есть, но стоимость их стараются не писать, видимо чтобы никого не пугать.

Полупроводниковые фотоэлементы (фотовольтаика, PV) - идея очень простая, берем полупроводниковый диод большой площади. Когда квант света влетает в pn-переход - генерируются пара электрон-дырка, которые создают перепад напряжения на выводах этого диода (около 0.5В для кремниевого фотоэлемента).


КПД у кремниевых солнечных батарей - около 16%. Почему так мало?

На формирование электронно-дырочной пары требуется определенная энергия, не больше и не меньше. Если квант света прилетает с энергией меньшей, чем нужно - то он не может вызвать генерацию пары, и проходит через кремний как через стекло (потому кремний прозрачен для инфракрасного света дальше 1.2мкм). Если квант света прилетает с энергией большей чем нужно (зеленый свет и короче) - пара генерируется, но лишняя энергия теряется. Если энергия еще выше (синий и ультрафиолетовый свет) - квант может просто не успеть долететь до глубины залегания p-n перехода.

Помимо этого, свет может отразиться от поверхности - чтобы избежать этого на поверхность наносят анти-отражающее покрытие (как на линзах в фотообъективах), и могут поверхность сделать в виде гребенки (тогда после первого отражения у света будет еще один шанс).

Увеличить КПД выше 16% у фотоэлементов можно комбинируя несколько разных фотоэлементов (на основе других полупроводников, и соответственно с другой энергией требуемой для генерации пары электрон-дырка) - сначала ставим тот, что эффективно поглощает синий свет, а зеленый, красный и ИК - пропускает, затем зеленый, и на конец красный и ИК. Именно на таких 3-х ступенчатых элементах и достигаются рекордные показатели эффективности в 44% и выше.

К сожалению, 3-х ступенчатые фотоэлементы оказываются очень дорогими, и сейчас балом правят обычные дешевые одноступенчатые кремниевые фотоэлементы - именно за счет очень низкой цены они вырываются вперед по показателю Ватт/$, Стоимость одного ватта для кремниевых фотоэлементов с вводом гигантских производств в Китае опустилась до ~0.5$/Ватт (т.е. за 500$ можно купить солнечных элементов на 1000 Ватт).

Основные типы кремниевых элементов - монокристаллические (более дорогие, чуть выше КПД) и поликристаллические (дешевле в производстве, буквально на 1% меньше КПД). Именно поликристаллические солнечные батареи сейчас дают самую низкую стоимость 1 Ватта генерируемой мощности.

Из проблем - солнечные батареи не вечные. Даже если не брать в расчет пыль и грязь (надеемся на дождь и ветер), за счет фотодеградации за 20 лет эксплуатации лучшие кремниевые элементы теряют ~15% мощности. Возможно дальше деградация замедляется, но это все равно нужно учитывать.

Пройдемся теперь по основным попыткам увеличить экономическую эффективность:

А давайте возьмем маленький высокоэффективный фотоэлемент и параболическое зеркало
Это называется concentrated photovoltaics. Идея в принципе неплоха - зеркало дешевле, чем солнечная батарея, да и КПД можно иметь 40% а не 16… Проблема только с тем, что теперь нужна (ненадежная) механика для слежения за солнцем, и наша огромная поворотная тарелка должна быть достаточно прочной, чтобы противостоять порывам ветра. Другая проблема - когда солнце заходит за не слишком плотные тучи - выработка энергии падает до нуля, т.к. параболическое зеркало не может рассеянный свет фокусировать (у обычных солнечных батарей выработка конечно падает, но не до 0).

С падением цен на кремниевые солнечные батареи этот подход оказался слишком дорогим (как по установочной стоимости, так и обслуживанию)

А давайте сделаем солнечные элементы круглыми, разместим на крыше, а крышу покрасим в белый цвет
Этим занималась печально известная нынче компания Solyndra, с подачи Барака Обамы получившая гос.гарантию по кредиту в 535 миллионов долларов от американского министерства энергетики… и внезапно объявившая банкротство. Круглые солнечные батареи делали, напыляя слой полупроводника (в их случае Copper indium gallium (di)selenide) на стеклянные трубы. Эффективность солнечных батарей получалась 8.5% (да, получилось хуже простых и дешевых кремниевых).

Яркий пример того, как американский капитализм при должном лоббировании способен по инерции вкачать огромные ресурсы в принципиально не эффективные технологии. По результатам работы никого не посадили.

Дорога ложка к обеду

Теперь после этого буйства непрерывного усовершенствования технологий открываем грустную страницу истории. Солнечные электростанции генерируют электричество днем, а оно больше всего нужно вечером:


Это значит, что если аккумуляторов у нас нет, электростанции на вечерний пик потребления все равно строить придется, а днем - часть должны быть выключены, а часть - находиться в горячем резерве, чтобы если тучки соберутся над солнечной электростанцией - мгновенно заместить выпавшую солнечную генерацию.

Получается, если мы обязываем покупать электричество у солнечных электростанций по обычной цене тогда, когда оно у них генерируется - мы фактически перераспределяем прибыль от существующих классических генерирующих мощностей, которые вынуждены днем простаивать в резерве в пользу солнечных.

Есть и такой интересный вариант - если где-то вечерний пик потребления - где-то на земле разгар дня. Может строить солнечную электростанцию именно там, а электричество передавать по ЛЭП? Это возможно, но требует передачи энергии на расстояния порядка 5-8 тыс км, что также требует огромных капитальных затрат (по крайней мере пока мы не перешли на сверхпроводники) и согласований с кучей стран. Примерно в этом направлении развивался проект Desertec - генерация в Африке, передача в Европу.

Аккумуляторы

Итак, 1 Вт солнечная батарея стоит 0.5$. За день она сгенерирует допустим 8Вт*ч электричества (за 8 солнечных часов). Как нам эту энергию сохранить до вечера, когда она будет больше всего нужна?

Китайские литиевые аккумуляторы стоят примерно 0.4$ за Вт*ч, соответственно, на 1Вт солнечной батареи (ценой в 0.5$) нам понадобится аккумуляторов на 3.2$, т.е. аккумулятор получается в 6 раз дороже солнечной батареи! Помимо этого нужно учитывать, что через 1000-2000 циклов заряд-разряд аккумулятор придется заменить, а это всего 3-6 лет службы. Может есть аккумуляторы дешевле?

Самые дешевые - свинцово-кислотные (которые естественно далеко не «зеленые»), их оптовая цена - 0.08$ за Вт*ч, соответственно, на сохранение дневной выработки нам нужно аккумуляторов на 0.64$, что снова больше стоимости самих солнечных батарей. Свинцовые аккумуляторы также быстро умирают, 3-6 лет службы в таком режиме. Ну и на десерт - КПД свинцовых аккумуляторов - 75% (т.е. четверть энергии теряется в цикле заряд-разряд).

Существует также вариант с гидроаккумулирующими электростанциями (днем - закачиваем воду «вверх» насосом, ночью - работаем как обычная гидроэлектростанция) - но их строительство также обходится дорого, и не везде возможно (КПД - до 90%).

Из-за того, что аккумуляторы получаются дороже самой солнечной электростанции, в крупных электростанциях их и не предусматривают, продавая электричество в распределительную сеть сразу по мере генерации, рассчитывая ночью и вечером на обычные электростанции.

Какова же справедливая цена нерегулируемой солнечной генерации?

Возьмем например Германию, как лидера по развитию солнечной энергетики. Каждый кВт сгенерированный солнечными электростанциями там выкупают по 12.08-17.45 евроцентов за кВт*ч, не взирая на то, что генерируют они в дневной минимум потребления. Все чего они добиваются этим - экономия Российского газа, т.к. газовые электростанции все равно должны быть построены и быть в горячем резерве (и все их остальные расходы остаются неизменными - зарплаты, кредиты, обслуживание).

С экономической точки зрения, было бы справедливо, если бы солнечные электростанции получали ровно столько, сколько они позволяют сэкономить на топливе газовым электростанциям.

Допустим стоимость российского газа - 450 $ за 1 тыс. м3. Из этого объема можно выработать 39000 ГДж ≈10.8*0,4 GWh ≈ 4.32 GWh электричества (при КПД генерации 40%), соответственно, на 1 кВт*ч солнечного электричества мы экономим российского газа на 0.104$ = 7.87 евроцента. Именно такая должна быть справедливая стоимость нерегулируемой солнечной генерации, и похоже Германия постепенно идет к этой цифре, но на данный момент солнечная энергетика в Германии получается на 50% дотируемой.

Резюме

Поликристаллические солнечные батареи дают самое дешевое солнечное электричество, порядка 0.5$/Ватт, остальные способы намного дороже.

Проблема солнечной энергетики не в КПД солнечных элементов, не в EROEI (он действительно в теории бесконечен), и не в их цене - а в том, что сгенерированную энергию очень дорого хранить до вечера. Т.е. основная проблема - аккумуляторы, которые сейчас уже дороже, чем солнечные батареи и при этом имеют короткий срок службы (3-6 лет).

На данный момент крупномасштабную солнечную генерацию без аккумуляторов можно рассматривать только как способ сэкономить днем небольшую часть ископаемого топлива, она принципиально не может уменьшить количество необходимых классических электростанций (газовых, угольных, АЭС, гидро) - они все равно должны стоять в резерве днем, и полностью брать на себя нагрузку в вечерний пик потребления.

Если в будущем с помощью (жестоких) тарифов удасться сместить пик потребления на день - строительство солнечных электростанций обретет бОльший смысл (например, если тарифы будут такие, что будет выгодно включать электролизное производство алюминия и водорода только днем).

Стоимость «нерегулируемой» солнечной генерации нельзя сопоставлять со стоимостью генерации на классических электростанциях - т.к. они генерируют когда получится, а не когда нужно. Справедливая стоимость нерегулируемой солнечной электроэнергии должна быть равна стоимости сэкономленного ископаемого топлива, и не более - для газа по 450$ справедливая цена солнечной генерации не выше 0.1$ за 1кВт*ч (соответственно, в Германии солнечная генерация дотируется на ~50%).

«Честная» солнечная энергетика (с аккумуляторами) сегодня может быть экономически оправданна лишь в удаленных районах, где нет возможности подключиться к сети (как например в случае отдаленной, одиноко стоящей базовой станции сотовой связи).

Самая большая проблема солнечной энергетики - ископаемое топливо пока слишком дешевое, чтобы солнечная генерация была экономически оправданной.