Строительство деревянных каркасных домов: технологии и последовательность работ

Основные этапы строительства каркасного дома

Строительство каркасного дома

Что такое каркасный дом? Это деревянная конструкция (каркас), основой которой служат нагруженные балки и деревянные колонны. Каркас снаружи и изнутри обшит ДСП материалами: вагонкой, толстой трех- или пятислойной фанерой, OSB или влагостойкими МДФ плитами. Воздушные зазоры утепляются минватой, пенополиуретаном или другими материалами со свойствами шумопоглотителя и утеплителя.

Планирование проекта и этапы возведения каркасного дома

Преимуществ строительного процесса дома на каркасной основе много:

• небольшой вес элементов и узлов из дерева, что позволяет обойтись без аренды спецтехники;
• недорогой строительный процесс;
• высокая скорость возведения деревянного дома;
• малый вес дома позволяет построить его на фундаменте облегченного типа, что удешевляет проект и облегчает строительство жилья.

Выбирая тип фундамента, принимают во внимание полный вес дома с мебелью и коммуникациями и состав почвы. На глинистых грунтах рекомендуется обустраивать монолитное основание. При песчаной почве подойдет мелкозаглубленный ленточный или столбчатый фундамент. При этом любой тип фундамента необходимо гидроизолировать и обеспечить хороший дренаж по периметру дома, чтобы подпочвенные воды не проникали в деревянные конструкции дома.

Фундамент каркасного дома

Строится каркасный дом на основе двух распространенных технологий:

• Строительство из заводских блоков;
• Самостоятельное строительство из закупленных стройматериалов.

Проект, эскиз или план каркасного здания, смета и учет непредвиденных расходов – обязательное условие успешного строительства. Проектирование учитывает параметры дома и фундамента, почвы и участка, кровли и перекрытий, свойства стройматериалов и требования к ним по влагозащищенности, теплоотдаче и шумоподавлению.

Застройщики часто выбирают типовой проект каркасного дома, который изначально предусматривает строительные, технологические и архитектурные нюансы.

Очевидные преимущества каркасного дома таковы:

• Низкая себестоимость строительства.
• Ускоренный процесс возведения каркаса и его обшивки;
• Экономичность строительства, не влияющая на качество и долговечность здания;
• Деревянный каркас — это прокладывание коммуникаций между обшивкой, а значит – экономия внутреннего пространства;
• Облегченный и недорогой фундамент;
• Всесезонность строительства;
• Возведение каркасного дома без использования спецтехники и дорогостоящего оборудования;
• Высокая сейсмоустойчивость за счет упругости древесины;
• Длительный срок службы – больше 80 лет.

Возведение фундамента и материалы для строительства

Винтовое основание подойдет для любых почв, но когда грунт сыпучий или пучинистый, надежнее будет залить ленточный или заложить столбчатый фундамент, который легко ремонтируется и обеспечивает естественную вентиляцию пространства между домом и основанием.

Винтовое основание каркасного дома

Вентилирование надфундаментного пространства – это минимизация возникновения плесени на стенах каркасного дома, но, кроме этого, следует гидроизолировать все столбы фундамента рубероидом или битумом.

Но эти 30 дней можно провести с пользой: подготовить стройматериалы и инструменты для работы, оборудовать стройплощадку и организовать всю необходимую логистику строительных процессов.

Свайное основание считается универсальным решением, так как сваи можно забивать в любой грунт. Сваи – это стальные спиралевидные опоры, которые ввинчивают в почву. Фундамент на сваях плохо зарекомендовал себя на сейсмически активных участках, и это не единственный его недостаток: вручную забивать (ввинчивать) сваи не получится, и придется арендовать технику, что сделает строительство каркасного дома намного дороже. Для свайного и столбчатого оснований необходимо обустраивать забирку из досок или кирпича, чтобы предохранить фундамент от влаги и низких температур.

Монолитный ленточный фундамент заливается под несущими стенами дома по всему периметру, поэтому требует много раствора и других стройматериалов. Достоинство бетонной ленты в том, что усадки дома не будет на любых грунтах, и при наличии такого фундамента появляется возможность обустроить подвальное помещение – гараж, мастерскую или овощехранилище. Недостатком можно назвать дороговизну конструкции.

Монолитный ленточный фундамент

Кирпичный тип фундамента – это обычная стена из кирпича, но стоимость довольно большая и недостаточно надежная для фундамента. Кирпичный фундамент очень редко обустраивают в силу его непрактичности и недолговечности.

Для строительства каркасного дома необходимы:

• Гидроизоляционные материалы для укладки слоев между домом и основанием (рубероид, полиэтилен, битум, гудрон);
• Дерево для строительства дома – брус, листы древесины (фанера, ДСП, ДВП, OSB, МДФ, строганная доска). Длина пиломатериалов должна соответствовать длине стен дома, чтобы было как можно меньше соединений и перемычек. Ширина каркасного бруса определяет толщину стен;
• Метизы: саморезы по дереву, дюбели из серии «быстрый монтаж», железные скобы, анкера, турбовинты, крюки, болты, гайки, шайбы, и т.д;
• Пропитки-антисептики и грунтовки;
• Пенопласт, пенополиуретан или минеральная вата для утепления стен и кровли;
• Облицовочные декоративные стройматериалы: сайдинг, вагонка, шлифованная доска или планки;
• Гидроизоляторы для крыши и кровли, древесина для стропильной системы, утеплители и шумоизоляторы;
• Мембранные пароизоляторы для стен и потолка.

Строительство каркаса дома

Через 30-40 дней после окончания строительства фундамента начинаем монтировать нижнюю обвязку каркаса: сверху на поверхности фундамента крепятся доски. Их можно крепить анкерами или турбовинтами.

Монтаж нижней обвязки каркаса

Брус соединяется между собой и крепится к нижней обвязке на скобы, турбовинты или анкера. Элементы нижней обвязки имеют пазы размером в ширину вертикальных стоек каркаса, сделанные через 0,5 м – в них крепится каркас. Сам нижний брус нужно брать толщиной 80-100 мм. После крепления вертикального бруса в пазы монтируется верхняя обвязка – она делается из бруса меньшим сечением, или из доски толщиной 30-40 мм. При небольших размерах дома каркас можно собрать заранее на грунте, и потом готовую конструкцию закрепить на нижней обвязке из бруса.

Сборка каркаса начинается с углов соединением досок на шурупы или мелкие анкера. От углов размечаются дверные и оконные проемы, а свободное пространство делится на равные промежутки с тем, чтобы через 1-1,5-2 метра (желательно – по ширине рулонного или листового утеплителя) установить вертикальные стойки-балки для увеличения прочности каркаса. Сами вертикальные балки укрепляются диагональными раскосами вверху и внизу.

Дальше делают настил чернового пола из горбыля. Для оборудования системы «теплый пол» по черновым доскам крепят брус, по которому укладывают гидроизолятор и утеплитель из минваты, керамзита или пенополистирола. Слой теплоизоляции защищается пароизоляционными мембранными материалами, дальше монтируется финишное напольное покрытие – ламинат, паркет, шпунтованная рейка, керамическая плитка.

Черновой пол (вид снизу)

После сборки каркаса монтируется потолочный венец (или венец 1-го этажа при малоэтажном здании). После сборки венца закладываются основания для дверных и оконных проемов. Основаниями служат горизонтально закрепленные балки — их крепят к вертикальным балкам на анкера или угловыми скобами.

Вертикальные брусья деревянного каркаса следует на время укрепить боковыми откосами — одним концом к нижней обвязке, вторым — к вертикальному брусу. Для боковых укосин подойдут доски или рейки любого размера. Вертикальные стойки нужны для укрепления наружных и межкомнатных стен.

При оборудовании верхней обвязки в брусе также делаются пазы под вертикальные стойки. Конструкция верхней обвязки крепится к стойкам вхождением в паз и стальными уголками или саморезами. Чтобы каркас оставался жестким, вместо временных укосин крепятся постоянные распорки.

Обрешетка каркасного здания

Продолжение монтажа вертикальных и горизонтальных балок-стоек — монтаж обрешетки. Это может быть горизонтальный крепеж или косая обрешетка. Многие застройщики предпочитают косой крепеж в силу того, что диагонально расположенная обрешетка дополнительно укрепляет каркас и минимизирует проникновение потоков воздуха из дома на улицу и наоборот.

Горизонтальные доски крепятся к каркасу на расстоянии ≤ 20 см друг от друга, косая обрешетка крепится под углом в 45° с промежутками между досками ≤ 25 см. Любой тип обрешетки крепится на саморезы.

Обрешетка кровельного перекрытия не должна провисать, поэтому расстояние между балками перекрытия соблюдается в пределах 60 см. балки перекрытия соединяются со стропильной системой железными шпильками-скобами. Для перекрытия 1-го этажа рекомендуется установить деревянные подпорки из бруса, перекрытие 2-го этажа может обустраиваться без дополнительного укрепления.

Диагональная (косая) обрешетка

Строительство крыши

Современный кровельный материал — металлочерепица, гибкая черепица, глиняная черепица, профнастил, ондулин. Любая крыша – односкатная или двускатная – состоит из сложной конструкции стропил с перекрытиями, и кровли. Верхняя брусовая обвязка служит опорой для досок толщиной ≥ 5 см, которые на время монтажа крыши крепят к ней.

Монтаж стропил происходит так: торцы бруса соединяют под углом уклона ската. Стропильные балки находятся на расстоянии 0,6-0,7 м друг от друга. Стропила по мере их набора в конструкцию крепятся укосинами, после сборки всей стропильной системы по ее верхней части с обеих сторон крепят конек.

Затем оборудуется обрешетка, укладывается теплоизоляционный слой, поверх которого можно крепить выбранный кровельный материал. От типа кровли зависит, какую обрешетку следует делать — сплошную или разреженную. Каркас для обустройства крыши монтируется, начиная с углов, торцами к лагам.

Конструкция крыши каркасного дома

Обшивка деревянного каркаса

Отделать каркасный дом можно металлическим или виниловым сайдингом, декоративной штукатуркой, керамической плиткой или вагонкой. Перед монтажом любого отделочного материала сначала укладывается гидро- и пароизоляция, а также ветрозащита в два слоя.

Первыми нужно обшить стены дома, затем кровлю, после чего можно устанавливать окна и двери. Пол настилается последним. Перед настилом пола пространство между лагами и черновыми досками заполняется утеплительными влагонепроницаемыми материалами (пенопластом или пенополиуретаном), сверху которого укладывается минвата. Чистовая доска крепится на лаги перпендикулярно, сверху ее можно закрыть любым декоративным материалом – линолеумом, ламинатом, и т.д. После настила пола проводится декорирование внутренних поверхностей с предварительным утеплением и пароизоляцией стен.

Пошаговая инструкция по строительству каркасного дома своими руками

В нашей стране до недавнего времени возводились преимущественно дома из бревенчатого сруба, кирпича или бетона, однако сейчас настало время новых технологий, и в данном сегменте появились каркасные дома. Они очень популярны за счет уникального сочетания высокого качества и небольших финансовых затрат. Но главное — это возможность сделать долговечный каркасный дом своими руками без применения спецтехники. Поэтому мы сделали для вас подробную пошаговую инструкцию.

Само руководство состоит из 7 этапов:

• выбор места для дома;
• проектирование;
• монтаж фундамента;
• сборка каркаса;
• возведение стен;
• теплоизоляция;
• кровельные работы.

Строительство каркасного дома имеет главное преимущество над другими технологиями — быстрые темпы возведения без привлечения к работам специальных подъемных механизмов. Недорогие каркасники вводятся в эксплуатацию за один сезон, но такая скорость ни в коем случае не ухудшает комфорт и качество проживания — эти параметры не хуже, чем у деревянных и каменных домов.

Выбор места на участке

В соответствии с градостроительными нормами РФ, ваш жилой дом должен находиться на расстоянии не менее 3 м от официальной границы участка. Также в большинстве случаев местными нормативами регламентируется 5-метровый отступ от красной линии улицы до дома.

Следует учесть, что все каркасники относятся к IV и V степени огнестойкости, поэтому в соответствии с противопожарными нормами расстояние от вашей постройки до дома на соседнем участке должно составлять не менее 10 метров.

Остальные требования по размещению дома представлены на данном изображении:

Составляем проект

Согласно ФЗ застройщик обязан руководствоваться проектом, созданным профессиональными организациями по проектированию. Составленная документация также должна быть согласована уполномоченными должностными лицами различных служб, где могут быть внесены изменения и/или дополнения.

По факту местные власти требуют лишь наличия эскизного проекта, включающего схему генплана, планы, разрез, фасады и основные технико-экономические показатели. Стоит такой проект не более 10000 рублей, и заказать его можно уже по факту после возведения перед сдачей в эксплуатацию.

Тем не менее, для вашего удобства и экономии на переделках мы рекомендуем подобрать подходящий типовой проект или составлять индивидуальный с учетом личных предпочтений и пожеланий. В том и в другом случае необходимо сделать разметку всех коммуникаций и внести в план инженерные системы.

Пример типового эскизного проекта

Обращаем ваше внимание на то, что типовые проекты традиционно стоят дешевле, а индивидуальные позволяют реализовать собственные задумки. Индивидуальные чертежи из проектной документации составляются с учетом привязки к рельефу и другим особенностям участка — только такая щепетильность может гарантировать долговечную эксплуатацию жилища без проблем и капитального ремонта.

Инженерные системы

Чтобы построить каркасный дом, необходимо предусмотреть внесение в проект всех инженерных сетей. Они прокладываются в строгой последовательности, и начинать нужно с фундамента. В случае применения бетонного основания все технологические отверстия под коммуникационные системы нужно сделать в момент заливки, чтобы после застывания не заниматься сложным сверлением отверстий.

Электрическая система состоит из распределительного щита, электропроводки, розеток и заземления. Расстояние между точками под розетки должно составлять не более 4 м. Рядом с источниками воды устанавливаются розетки с крышками. Вентиляционная система включает в себя воздуховоды с отверстиями. Стоит ли напоминать, что от правильной разводки труб и проводов зависит удобство доступа и пользования кранами, выключателями, а также функционирование стоков и отвод канализации?

Монтаж фундамента

Технология строительства предусматривает применение мелкозаглубленного ленточного, столбчатого или блочного фундамента. Прочность основы повышают при помощи арматуры и монолитной обвязки. Сделать качественный фундамент можно только после проведения геологического анализа грунта.

В большинстве случаев для каркасного дома достаточно более простой основы, которая с легкостью выдержит небольшие нагрузки. Самый уместный — винтовые сваи. Такой фундамент не требует большого количества материалов, что удешевляет строительную смету в среднем на 15-20%.

Варианты устройства ростверка на винтовых сваях

В случае монолитного фундамента необходимо вырыть траншею, уплотнить грунт и насыпать песчаную подушку. Перед тем как приступить к заливке бетона, нужно смастерить опалубку и установить прутья арматуры. Раствор в процессе заливки обязательно трамбуется. В жидкий бетон основы через каждые 2 м ставят вертикальные шпильки длиною в полметра — к ним будет крепиться нижняя обвязка каркаса. Поверхность получившегося ростверка обязательно выравнивают цементным раствором.

Нижняя обвязка

Через семь дней после проведения работ по заливке бетона по всей поверхности фундамента укладывается нижняя обвязка из деревянных брусьев сечением 15х15 см. Предварительно древесину обрабатывают антисептическими средствами, а по низу прокладывают два слоя рубероида, выполняющего роль горизонтальной гидроизоляции.

Брус можно фиксировать анкерными болтами или фундаментными шпильками. Если используются болты, то под них нужно сверлить технологические отверстия до 10 см в глубину.

Схема нижней обвязки дома

Когда все деревянные брусья уложены и связаны друг с другом и с фундаментом, в них формируются пазы и размещаются напольные лаги (доска 50х150 мм). Верхняя часть лаг выверяется по горизонтали, а по низу прибиваются доски — они будут служить основой для устройства чернового пола. На получившееся досчатое основание укладывается мембранная изоляция (не допускает выветривания и намокания утеплителя, при этом не препятствует выходу наружу водяных паров). В промежутки между лагами нужно запрессовать утеплитель (минвату или пенопласт) и укрыть пароизоляцией. Сверху настилается обрезная доска (40х15 мм).

Схема устройства пола

Создаем каркас

Из самого названия технологии понятно, что основной элемент такого сооружения – каркас, и именно на нем удерживается вся конструкция. Остов состоит из вертикальных стоек, зафиксированных при помощи ригелей и горизонтальной обвязки. Как и ранее, здесь весь строительный процесс выполняется поэтапно.

В качестве материала применяется древесина. Рекомендуется выбирать хвойный брус с малой степень влажности, в идеале — камерной сушки. По высоте стойки должны соответствовать аналогичному параметру помещения. Соединяются стойки гвоздями длиной 10 см. После подгонки элементов не должно быть никаких зазоров.

В зависимости от того, какая нагрузка будет воздействовать на несущие опоры, а также исходя из размеров утеплителя и обшивочного материала планируют расстояние между стойками. Универсальное сечение стоек 150х50 мм, в проемах ставят сдвоенный брус 150х50 мм. Самый популярный шаг — 600 мм (позволяет устанавливать утеплитель «в натяг» для плотного заполнения стены). Для соединения стоек с нижней обвязкой применяют временные раскосы, отчего сооружение приобретает необходимую жесткость.

Схема устройства углов стен

Установке верхней обвязки осуществляется после установки всех стоек. Фиксация происходит при помощи таких же пазов, которые скрепляли нижний брус. Верхнее крепление к стойкам выполняется двумя гвоздями, которые должны войти в материал не менее чем на 10 см. Окончательное закрепление каркаса осуществляется постоянными укосами, установленными взамен демонтированных временных. Подробнее об этом читайте в статье «Верхняя и нижняя обвязка«. Также рекомендуем ознакомиться с устройством важнейших узлов каркасного дома.

Утепляем стены

Наружные стены дома обшивают имитацией бруса, деревянной вагонкой, пластиковым сайдингом, как того пожелает хозяин дома. Утепление лучше сделать при помощи минеральной ваты. Она экологична, долговечна и не горит, что делает каркасники еще более выгодными и востребованными.

Если вы планируете проживать в доме круглый год, подбирайте теплоизоляцию с толщиной в 15 см и больше. Для большей эффективности поверх стоек набейте контробрешетку из бруса 50х50 мм (8) и положите утеплитель (7) «вторым слоем» — так вы избежите возможных мостиков холода и сделаете дом по-настоящему энергоэффективным. Читайте подробнее об устройстве пирога стены, а также об общем утеплении каркасного дома.

Схема правильного утепления каркасных стен

Материал запрессовывается во все щели между балок, чтобы убрать пустоты. Уберечь дерево от влаги поможет гидро- и ветрозащитная мембрана, которая крепится поверх утеплителя на стойки, и лишь затем набивается реечная обрешетка для вентфасада, который будет скрыт под внешней облицовкой. Изнутри для обшивки стен подойдет OSB или плиты из гипсоволокна, смонтированные поверх пароизоляции.

Сооружаем потолок

Потолок крепится к балкам перекрытия, которые в свою очередь зафиксированы гвоздями или стальными кронштейнами на брусе верхней обвязки. Там, где установлены межкомнатные перегородки, нужно установить опорные брусья, в месте которых прибивается деревянный потолочный щит.

Схема утепления чердачного перекрытия

Сверху на щит нужно уложить пароизоляционную пленку, вровень с которыми укладывается минвата или пенопласт. Сверху изоляция закрывается ветрозащитной мембраной, а поверх нее настилаются доски. Читайте подробнее об утеплении чердачного перекрытия.

Крыша

Прежде чем приступить к работе, определите градус уклона, количество скатов, тип кровельной облицовки, конструкцию стропильной системы.

Зависимость уклона кровли от применяемого материала

Крыша со сложной формой выглядит привлекательно, но она сложна в реализации, поэтому недешевая. Чаще всего встречаются двухскатные конструкции, позволяющие оборудовать мансарду или чердачное помещение. Здесь необходимо установить лишь один конек, ендовы и вовсе отсутствуют, что исключает скопление осадков и протечки. Чтобы снег не задерживался на крыше, планируйте уклон более 28º, но не более 50º, иначе увеличится ветровая нагрузка.

Сечение стропил определяется согласно толщине размещаемого между ними утеплительного материала. Лучше всего брать доску, калибром 150х50мм и длиной 6 м. Две доски нужно сбить в форме буквы Л, а далее их поднимают наверх и определяют угол, следя за тем, чтобы свесы выходили за уровень стены на 30-50 см. Теперь доски можно собрать при помощи ригеля, и мы получим подобие стропил.

Конструкция стропильной системы двускатной крыши

В качестве мауэрлата здесь выступает верхняя обвязка. По изготовленному образцу создают стропила на всю кровлю, не забывая про шаг в 600 мм. Стропила на коньке устанавливают на фронтон и уже по ним продолжают установку остальных элементов. От типа кровельного материала зависит, какой будет обрешетка.

Кровельный материал

Пошаговая инструкция заканчивается на этапе установки кровельной облицовки. Вы можете выбрать мягкую черепицу, профнастил или металлочерепицу. Со всеми этими материалами легко работать, они доступны по цене и имеют приличный вид. После облицовочных работ останется только установить водосточные трубы и дренажную систему, которая будет отвечать за отвод осадков за пределы участка.

Теперь вы представляете весь процесс строительства каркасного дома своими руками , чтобы конструкция была прочной и теплой. Если не игнорировать правила строительства и технологию сборки, вы станете счастливым обладателем собственного дома, о котором можно только мечтать.

Как работают солнечные батареи: принцип, устройство, материалы

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Немного истории

Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века. Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций. Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.

Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной. Современные устройства напрямую преобразуют солнечные лучи в ток благодаря понятию фотоэлектрический эффект.

Современный принцип работы солнечной батареи был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы солнечной батареи на практике.

Принцип работы

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.

Устройство

Конструкция солнечной батареи очень проста.

Основу конструкции устройства составляют:

• корпус панели;
• блоки преобразования;
• аккумуляторы;
• дополнительные устройства.

Корпус выполняет исключительно функцию скрепления конструкции, не имея больше никакой практической пользы.

Основными элементами являются блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний. Можно сказать, что состоят солнечные батареи, устройство и принцип работы которых всегда одинаковый, из каркаса и двух тонких слоев кремния, который может быть нанесен на поверхность, как монокристаллическим, так и поликристаллическим методом.

От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность. Если кремний наносится монокристаллическим способом, то эффективность батареи будет максимально высокой, как и стоимость.

Если говорить о том, как работает солнечная батарея, то не нужно забывать об аккумуляторах. Как правило, используется два аккумулятора. Один является основным, второй — резервным. Основной накапливает электроэнергию, сразу же направляя ее в электрическую сеть. Второй накапливает избыточную электроэнергию, после чего направляет ее в сеть, когда напряжение падает.

Среди дополнительных устройств можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата.

Очень важными элементами солнечной назвать диоды. Данный элемент устанавливается на каждую четвертую часть блока преобразователей, защищая конструкцию от перегрева из-за избыточного напряжения. Если диоды не установлены, то есть большая вероятность, что после первого дождя система выйдет из строя.

Как подключается

Как было сказано раньше, устройство солнечной батареи достаточно сложное. Правильная схема солнечной батареи поможет добиться максимальной эффективности. Подключать блоки преобразователей необходимо при помощи параллельно-последовательного способа, что позволит получить оптимальную мощность и максимально эффективное напряжение в электрической сети.

Разновидности солнечных батарей

Существует несколько разновидностей фотоэлементов для солнечных батарей, которые отличаются между собой строением кристаллов кремния.

Выделяют три вида фотоэлементов:

• поликристаллические;
• монокристаллические;
• аморфные.

Первый вид панелей является более дешевым, но менее эффективным, поскольку, если кремний нанесен поликристаллическим способом, то электроны не могут двигаться прямолинейно.

Монокристаллические фотоэлементы отличаются максимальным КПД, который достигает 25 %. Стоимость таких батарей выше, но для получения 1 киловатта нужна существенно меньшая площадь фотоэлементов, чем при использовании поликристаллических панелей.

Из аморфного кремния изготавливают гибкие фотоэлементы, но их КПД самый низкий и составляет 4-6 %.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества солнечных батарей:

• солнечная энергия абсолютно бесплатная;
• позволяют получать экологически чистую электроэнергию;
• быстро окупаются;
• простая установка и принцип работы.

• большая стоимость;
• для удовлетворения потребностей небольшой семьи в электроэнергии нужна достаточно большая площадь фотоэлементов;
• эффективность существенно падает в облачную погоду.

Как добиться максимальной эффективности

При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час. В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.

Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.

Каждый день солнце светит в среднем по 9 часов, если брать среднегодовой показатель. За один день квадратный метр поверхности преобразователя способен выработать 1 киловатт электроэнергии. Если за сутки жильцами дома израсходуется приблизительно 20 киловатт электроэнергии, то минимальная площадь солнечных панелей должна составлять приблизительно 40 квадратных метров.

Однако, такой показатель потребления электроэнергии на практике встречается редко. Как правило, жильцы израсходуют до 10 кВТ в сутки.

Если говорить о том, работают ли солнечные батареи зимой, то стоит помнить, что в данную пору года сильно снижается длительность светового дня, но, если обеспечить систему мощными аккумуляторами, то получаемой за день энергии должно быть достаточно с учетом наличия резервного аккумулятора.

При подборе солнечной батареи очень важно обращать внимание на емкость аккумуляторов. Если нужны солнечные батареи работающие ночью, то емкость резервного аккумулятора играет ключевую роль. Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке.

Несмотря на тот факт, что стоимость установки солнечных батарей может превысить 1 миллион рублей, затраты окупятся уже в течении нескольких лет, поскольку энергия солнца абсолютно бесплатна.

Видео

Как устроена солнечная батарея, расскажет наше видео.

Все о солнечных батареях

• Принцип работы
• Типы фотоэлектрических преобразователей
• Характеристики кремниевых солнечных батарей
• Монокристалл
• Поликристалл
• Аморфный кремний
• Обзор модулей, не использующих кремний
• Полимерные и органические батареи
• Как сделать правильный выбор
• Почему так важна эффективность
• Где купить
• Заключение
• Видео по теме

Планета Земля и вся зародившаяся на ней жизнь прошла не малый путь эволюции. Солнце обеспечивало энергией все живое и неживое, на протяжении всего периода существования планеты. В 21 столетии мы научились неплохо взаимодействовать с солнечным светом и использовать его в качестве альтернативной энергетики. Для этого инженерами были разработаны и внедрены в эксплуатацию солнечные батареи.

Принцип работы

Конструкция множества солнечных батарей сделана по принципу, что они в физическом смысле являются фотоэлектрическими преобразователями. Электрогенерирующий эффект проявляется в месте «p–n» перехода.

Чтобы сконцентрировать в себе солнечную энергию, полупроводники выполнены в форме панелей. По этой причине эти конструкции получили одноимённое название в независимости от их формы (гибкие или статичные) — солнечные панели.

По какому принципу работают солнечные панели и системы на их основе? Панель включает в себя 2 кремневые пластины с различимыми друг от друга свойствами. Процесс вырабатывания электроэнергии происходит так:

1. Воздействие солнечных лучей на первую приводит к недостаче электронов.
2. При воздействии на вторую пластину, та получает избыток электронов.
3. К пластинам подведены полосы из меди, проводящие ток.
4. Полосы подключаются к преобразователям напряжения с встроенными АКБ.

Основа — это кремниевые пластины. Но чтобы данную конструкцию использовать в качестве источника бесперебойного питания (а не только во время солнцестояния), к ней подключаются не дешевые аккумуляторы (с их помощью подключенные к сети объекты расходуют энергию ночью).

В промышленности конструкция для поглощения энергии Солнца сделана из многочисленных ламинированных фотоэлектрических ячеек, связанных друг с другом и поставленных на гибкой или жесткой подставке.

Коэффициент полезного действия конструкции вычисляется исходя из применения разных факторов. Основными являются — чистота задействованного кремния и размещение кристаллов.

Процесс очищения кремния довольно сложен, да и расположить кристаллы в единой направленности не легко. Сложность процессов, отвечающих за повышение КПД конвертируется в высокую цену за подобное оборудование.

Солнечные панели — перспективное направление в энергетике, поэтому в исследования новых проектов в этой сфере инвестируется многомиллиардные вложения. Каждый квартал коэффициент фотоэлектрического преобразования повышается, благодаря манипуляциям с проводниками и элементами конструкции. При этом, за основу может браться не только кремний.

Типы фотоэлектрических преобразователей

В промышленности существует классификация солнечных батарей по типу устройства и применяемого фотоэлектрического слоя.

По устройству делятся на:

• панели из гибких элементов, они же гибкие;
• панели из жестких элементов.

При развертывании панелей чаще всего используются гибкие тонкоплёночные. Они укладываются на поверхность, игнорируя некоторые неровные элементы, что делает данный тип устройства — более универсальным.

По типу фотоэлектрического слоя для последующего преобразования энергии панели делятся на:

1. Кремниевые (монокристалл, поликристалл, аморфные).
2. Теллурий–кадмиевые.
3. Полимерные.
4. Органические.
5. Арсенида–галлиевые.
6. Селенид индия– меди– галлиевые.

Хотя разновидностей множество, львиную долю в потребительском обороте имеют кремниевые и теллурий–кадмиевые солнечные панели. Эти два типа выбирают из–за соотношения КПД/цена.

Характеристики кремниевых солнечных батарей

Кварцевый порошок — это сырьевой материал для кремния. Данного материала на Урале и Сибири очень много, поэтому именно кремниевые солнечные панели есть и будут в большем обиходе, чем остальные подтипы.

Монокристалл

Монокристаллические пластины (mono–Si) содержат в себе синевато–темный цвет, равномерно размещенный на всей пластине. Для таких пластин применяется максимально очищенный кремний. Чем он чище, тем КПД солнечных батарей выше и самую наибольшую стоимость на рынке таких устройств.

1. Наивысший КПД — 17–25%.
2. Компактность — задействование сравнительно с поликристаллом меньшей площади для развертывания оснащения в условиях тождества мощности.
3. Износостойкость — бесперебойная работа выработки электроэнергии без замены основных комплектующих обеспечивается за четверть века.

1. Чувствительность к пыли и грязи — осевшая пыль не дает батареям работать со светом от светила и соответственно уменьшает КПД.
2. Высокая цена равна увеличенному сроку окупаемости.

Так как mono–Si нуждаются в ясной погоде и лучах Солнца, панели устанавливаются на открытых местах и поднятые на высоту. Насчет местности, то предпочтение отдается местности, в которой ясная погода обыденность, а количество солнечных дней приближено к максимальному.

Поликристалл

Поликристаллические пластины (multi–Si) наделены неравномерным синим окрасом из–за разнонаправленности кристаллов. Кремний не настолько чист, как в используемых mono–Si, поэтому КПД несколько ниже, вместе со стоимостью таких солнечных батарей.

Положительные факты поликристалла:

1. Коэффициент полезного действия 12–18%.
2. При неблагоприятной погоде КПД лучше, чем у Mono–Si.
3. Цена данного агрегата меньше, а сроки окупаемости намного ниже.
4. Ориентация на солнце не принципиальна, поэтому можно размещать их на крышах различных строений.
5. Длительность эксплуатации — эффективность поглощения энергии и аккумулирования электричества падает до 20% спустя 20 лет непрерывной эксплуатации.

1. КПД уменьшен до 12–18%.
2. Требовательность к месту. Для развертывания нормальной станции выработки электроэнергии нужно больше места, чем при задействовании батареи из монокристалла.

Аморфный кремний

Технология производства панелей существенно отличается от предыдущих двух. В приготовлении задействованы горячие пары, опускающиеся на подложку без образования кристаллов. При этом используется меньше производственного материала и это учитывается при формировании цены.

1. Коэффициент полезного действия — 8–9% во втором поколении и до 12% в третьем.
2. Высокий коэффициент полезного действия при не совсем солнечной погоде.
3. Возможность использования на гибких модулях.
4. Эффективность батарей не падает вниз при повышении температуры, что позволяет монтировать их на всякие поверхности с нестандартной формой.

Основным недостатком можно считать меньший КПД (если сравнивать с иными аналогами), в связи с чем требуется большая площадь для получения сопоставимой отдачи от оборудования.

Обзор модулей, не использующих кремний

Солнечные панели, изготавливаемые из более дорогих аналогов, достигают коэффициента в 30%, они могут быть в несколько раз дороже аналогичных систем на основе кремния. Некоторые из них всё же имеют более низкий КПД, при этом обладая возможностью работать в агрессивной среде. Для изготовления таких панелей применяется чаще всего теллурид кадмия. Применяются и другие элементы, но реже.

Перечислим основные преимущества:

1. Высокий КПД, от 25 до 35%, с возможностью достигнуть, в относительно идеальных условиях даже 40%.
2. Фотоэлементы стабильны даже при температурах до 150 °C.
3. Концентрация света от светила на маленькой панели позволяет обеспечить водяной теплообменник энергией, в результате чего образовывается пар, который вращает турбину и генерирует электричество.

Как и говорили ранее — минусом является высокая цена, но в некоторых случаях они являются лучшим решением. Например, в экваториальных странах, где поверхность модулей может нагреться до 80 °C.

Полимерные и органические батареи

Модули, созданные на основе полимерных и органических материалов, получили своё распространение в последние 10 лет, они создаются в виде плёночных конструкций, толщина которых редко превышает 1 мм. Их КПД близок к 15%, а стоимость в несколько раз ниже кристаллических аналогов.

1. Низкая стоимость производства.
2. Гибкий (рулонный) формат.

Недостатком панелей из этих материалов является снижение эффективности на длительной дистанции. Но этот вопрос ещё исследуется и производство постоянно модернизируется, чтобы исключить минусы, которые могут проявиться в существующем поколении такого вида батарей через 5–10 лет.

Как сделать правильный выбор

Для владельцев домов, расположенных на Европейском континенте выбор довольно прост — это поликристалл либо монокристалл из кремния. При этом, при ограниченных площадях стоит сделать выбор в пользу монокристаллических панелей, а при отсутствии таких ограничений — в пользу поликристаллических батарей. При выборе производителя, технических параметров оборудования и дополнительных систем стоит обратиться к компаниям, которые занимаются как продажей, так и установкой комплектов. Учитывайте, что вне зависимости от производителя — качество систем у «топовых» производителей вряд ли будет отличаться, поэтому не дайте себя обмануть, изучая ценовую политику.

Если решили заказать установку «солнечной фермы» под ключ, учтите, что сами панели в пакете таких услуг займут всего 1/3 общей стоимости, а окупаемость вплотную приблизится к отметке «10 лет»:

1. Бюджетным, но эффективным выбором станут панели от компании Amerisolar, поликристаллическая модель носит название AS–6P30 280W, имеет размер 1640х992 мм и выдаёт, соответственно — 280 Вт мощности. КПД модуля составляет 17.4%. Из минусов — гарантия всего 2 года. Но стоимость ∼7 тыс. рублей.
2. Аналогичным по мощности будет модуль RS 280 POLY от китайской Runda, стоимость ещё ниже — около 6 тыс. рублей.
3. Если место ограничено, стоит обратить внимание на продукт компании LEAPTON SOLAR — LP72–375M PERC, КПД составляет 19.1%, и при размерах 1960х992 мм получаем на выходе 375 Вт энергии. Стоимость такой батареи будет в районе 10 тыс. рублей.
4. Ещё одним эффективным вариантом с меньшими габаритами, 1686х1016 мм будет новинка от LG — NeOn 340 W. «Не он» может похвастаться КПД в 19.8%, но не может похвастаться стоимостью, она будет более чем в половину выше предыдущего образца — примерно 16 тысяч рублей.
5. Для тех, кто хочет обратить своё внимание на премиальный сегмент, тайваньская компания BenQ выпустила на рынок монокристальный модуль SunForte PM096B00 333W, выдающий на выходе 333 Вт мощности, имеющий номинальный КПД в 20.4% при размерах 1559х1046 мм. Этот модуль получил впечатляющую стоимость в почти 35 тысяч рублей.

Читайте также: может ли быть использована солнечная панель для дачи, какие дополнительные устройства и материалы необходимы и как их выбрать.

Почему так важна эффективность

Большое значение эффективность приобретает при расчёте площади, которую вы можете использовать под систему солнечных батарей. При сопоставимых размерах описанных модулей от Amerisolar AS–6P30 280W (1.63 квадратных метра) и NeOn 340 W от LG (1.71 квадратных метра), разница в мощности на один квадратный метр на выходе будет составлять 15.6%. С одной стороны, это может показаться не очень эффективным, учитывая разницу в цене более чем в два раза, но в случае с ограниченным пространством или более агрессивной внешней средой, возможно, сдвинет ваш выбор в пользу этого известного производителя.

Увеличенный коэффициент полезного действия подчеркивает не только эффективность технологии изготовления, но и качественные материалы, используемые при изготовлении. Это сможет сказаться на сроках работы устройств, на устойчивость панелей к так называемой деградации. Не стоит забывать также и про гарантийные обязательства производителя. Имея представительства и гарантийные сервисы почти во всех уголках мира — LG сможет похвастаться более лояльным подходом к клиентам и выполнением своих обязательств.

Где купить

Приобрести солнечные панели можно как в специализированном магазине, так и онлайн в Интернет-магазине. Во втором случае, особого внимания заслуживает бюджетный вариант приобретения изделий на сайте Алиэкспресс. Для некоторых панелей есть вариант отгрузки со склада в РФ, их можно получить максимально быстро, для этого при заказе выберите «Доставка из Российской Федерации»:

Заключение

Если рассматриваете установку солнечной станции в качестве инвестиций, выбор моделей с меньшим КПД будет более оправданным. Если целью является использование системы в домашнем хозяйстве, по принципу «установил и забыл», мы порекомендуем обратить внимание на панели от более именитых производителей, это позволит получить большую отдачу от станции в долгосрочной (более 5 лет) перспективе.

Видео по теме

Принцип работы солнечной батареи, что такое солнечная батарея

Солнечная батарея – это источник постоянного электрического тока от преобразованной энергии солнца при помощи фотоэлементов.

Фотоэлементы – это преобразователи энергии фотонов в ток.

Фотоны – это элементарная частица, не имеющая массы покоя.

Солнечная батарея для обеспечения бытовых потребностей в электроэнергии

История создания солнечной батареи

В 1839 году Антуаном – Сезаром была представлена батарея, которая преобразовывала энергию Солнца в ток.

В 1877 году Адамс и Дей открыли выработку электричества селеном при действии на него солнечных лучей.

В 1905 году Альберт Эйнштейн описал фотоэффект.

В 1954 году был создан элемент солнечной батареи, выполненной из кремния Гордоном Пирсоном, Кэпом Фуллером и Дэррилом Чапиным.

Виды солнечных батарей

В настоящее время солнечные батареи представлены несколькими вариантами в зависимости от типа их устройства, и от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой.

I. Классификация по типу их устройства:

1. 1. Гибкие;
2. 2. Жёсткие.

II. В зависимости от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой выделяют:

1. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из кремния. Они в свою очередь бывают монокристаллическими, поликристаллическими и аморфными. Монокристаллические панели достаточно дорогой вариант, но они отличаются высокой мощностью.

Поликристаллические дешевле, чем монокристаллические панели. Такие панели медленней теряют свою эффективность с увеличением сроков службы, а так же при нагревании.

Аморфные представлены в основном тонкопленочными панелями. Такое устройство солнечной батареи позволяет генерировать солнечный свет, даже в плохих погодных условиях;

2. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из теллурида кадмия;

3. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из селена;

4. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из полимерных материалов;

5. Из органических соединений;

6. Из арсенида галлия;

7. Из нескольких материалов одновременно.

Основные типы, которые получили распространение, это многопереходные кремниевые фотоэлементы.

Фотоэлементы, выполненные из кремния, отличаются высокой чувствительностью к нагреванию, компактностью, надежностью и высоким уровнем КПД (коэффициента полезного действия).

Другие материалы не получили широкого распространения в связи с большой стоимостью.

Устройство солнечной батареи

Для того, чтобы солнечная батарея была способна преобразовывать свет солнца в ток, необходимы следующие элементы:

1. Фотоэлектрический слой, который играет роль полупроводника. Представлен двумя слоями разных по проводимости материалов. Здесь электроны способны переходить из области p(+) в область n (-). Это называется p-n переход;
2. Между двумя слоями полупроводников помещен элемент, который является по своей сути преградой для перехода электронов;
3. Источник питания. Он необходим для подключения к элементу, препятствующему переходу электронов. Он преобразовывает движение заряженных электронов, т.е. создает электрический ток. Аккумуляторная батарея. Аккумулирует и хранит энергию;
4. Контролёр заряда. Основной его функцией является подключение и отключение солнечной батареи исходя от уровня заряда. Более сложные устройства способны контролировать максимальный уровень мощности;
5. Преобразователь прямого тока в переменный (инвертор);
6. Устройство, стабилизирующее напряжение. Обеспечивает защиту системы солнечной батареи от скачков напряжения.

Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте.

Солнечный свет (лучи), попадая на фотоэлектрический слой, полупроводниковых пластин приводит к высвобождению излишних электронов из обоих слоёв (n и p). На место оставшееся после освобождения электронов в одном слое встают освобожденные электроны другого слоя. Таким образом, происходит постоянное передвижение электронов из одного слоя в другой через p-n переход.

В результате этого на внешней цепи начинает появляться напряжение. Слой p становится положительно заряженным, а слой n – отрицательно.

Аккумулятор в ходе этих действий начинает набирать заряд.

Контролёр заряда подключает солнечную батарею, если заряд аккумулятора низкий. И выключает её, в случае, когда аккумулятор заряжен. Также контролер не даёт течь обратному току в то время, когда отсутствует солнце.

Трансформатор прямого тока в переменный необходим для преобразования постоянного тока в переменный с напряжением 220 В. Он бывает двух видов:

• Сетевой тип инверторов. Обеспечивает работу только в дневное время суток и тех приборов, которые присоединены к нему самому;
• Автономный тип. Применяется в устройстве элементов солнечной батареи, с наличием аккумуляторной батареи. Они предназначены для работы систем бесперебойного питания.

Это Интересно! Солнечной энергии, выделяемой за 1 секунду, достаточно для удовлетворения потребностей всего человечества на полмиллиона лет!

Преимущества и недостатки использования солнечной батареи

К преимуществам использования солнечной батареи относят:

1. Экономическую выгоду. Электроэнергия, поставляемая от энергии солнца, бесплатная;
2. Экологическая безопасность. Работа солнечной батареи не связана с выбросом вредных веществ в атмосферу;
3. Установка системы солнечной батареи является быстро окупаемой;
4. Простота эксплуатации и установки.

К недостаткам относят:

• Дороговизна установки;
• Маленькие фотоэлементы не обеспечивают всех потребностей в электроэнергии одной семьи;
• Эффективность их работы зависит от многих факторов, таких как:
  1. Погодных условий;
  2. Температуры на улице и степени нагрева солнечной батареи;
  3. Грамотного выбора всех комплектующих для обеспечения требуемых параметров;
  4. Мощности потока света;
  5. Ориентации солнечной батареи к положению Солнца;
  6. Чистоты панелей.

Применение солнечной батареи

Постепенно происходит внедрение солнечной батареи во многие отрасли жизнедеятельности человека.

Например, солнечные батареи используются:

• В автомобилестроении;
• В промышленных объектах;
• В сельском хозяйстве;
• На военно-космических объектах;
• В бытовых нуждах;

Это Интересно! Одним из первых вариантов появления прибора с солнечной батареей был калькулятор, способный работать только при попадании на его фотоэлемент солнечных лучей.

Сейчас солнечными батареями оснащают некоторые модели походных рюкзаков. Они служат источником света, электричества в условиях отсутствия цивилизации.

Использование солнечной батареи как источника электроэнергии интересует все большее количество людей, причем не только в бытовых нуждах, но и для обеспечения электроэнергией предприятий. Для того чтобы эта система была эффективной необходимо знать ее устройство и принцип работы. Это поможет подобрать компоненты в зависимости от желаемой мощности установки.

Как работают солнечные батареи

Любовь Карась

В рамках международных программ по устойчивому развитию и глобального «озеленения» специалисты ищут альтернативные источники энергии. Одним из таких решений являются солнечные батареи, которые все чаще используются в новых домах — в том числе в России. Т&Р рассказывают, как рассчитать необходимую для солнечных батарей энергию, и объясняют, почему их нельзя считать полностью экологичными.

Устройство солнечных батарей

Согласно данным Statista, мировая мощность солнечных батарей выросла с 5 гигаватт в 2005 году до 509,3 гигаватта к 2018 году. В одной только Германии совокупное количество солнечных батарей достигло 42,4 гигаватта. Эта технология остается одним из наиболее финансируемых возобновляемых источников , а стоимость рынка солнечной энергии продолжает расти.

Система с солнечными батареями может полностью обеспечивать электроэнергией средний дом в течение нескольких часов, если он подключен к сети. Даже если электричество отключить, батареи продолжат работу .

Система накопления солнечной энергии состоит из четырех основных частей:

Солнечные панели — они обеспечивают электричеством систему при достаточном солнечном свете.

Контроллеры заряда солнечных батарей — управляют мощностью, поступающей в батареи, и предотвращают обратный ток, который истощает батареи, когда солнце не светит.

Батареи — запасают энергию постоянного тока от солнечных панелей для последующего использования в доме.

Инвертор — преобразует мощность постоянного тока от солнечных панелей или батарей в мощность переменного тока для дома.

Две кремниевые пластины покрыты разными веществами (бор и фосфор). На пластинке с фосфором образуются свободные электроны. Они начинают двигаться под воздействием солнечного света. Образуется электрический ток, который впоследствии направляется в сами батареи, где и накапливается солнечная энергия.

Чем больше панель, тем больше энергии вы можете собрать. Иногда собирается больше энергии, чем необходимо, поэтому на более крупных панелях устанавливается стабилизатор напряжения для управления потоком энергии и предотвращения повреждения батареи. При выборе солнечной батареи нужно знать, сколько энергии она может хранить . Затем вы можете выбрать солнечную панель, которая может пополнить ваш запас энергии в батарее с учетом того, как часто вы пользуетесь какой-то техникой.

Как рассчитать солнечную энергию

Теоретически, чтобы рассчитать энергию солнечной батареи, нужно умножить ватты (солнечной панели) на количество часов нахождения на солнце. Например, если телевизор мощностью 20 Вт будет включен в течение двух часов, его батарея потребует 20×2 = 40 Вт в день.

На практике этот способ не работает, так как есть множество внешних факторов, таких как сезонные различия, климатические и так далее.

Британская организация Solar Technology International приводит пример: в средний зимний день в Великобритании период солнечного света составляет всего один час, в летние дни — около шести часов солнечного света . Таким образом, зимой 10-ваттная панель будет обеспечивать 10-ваттную энергию обратно в батарею (10 Вт x 1 = 10 Вт). А летом 10-ваттная панель будет обеспечивать 60-ваттную энергию обратно в вашу батарею (10 Вт x 6 = 60 Вт).

Солнечные батареи — это экологично?

Для изготовления солнечных панелей требуются едкие химические вещества, такие как гидроксид натрия и плавиковая кислота, а в процессе используется вода, а также электричество, при производстве которых выделяются парниковые газы.

Согласно данным National Geographic, в Китае производитель панелей Jinko Solar столкнулся с протестами, на него подали в суд, так как один из его заводов в восточной провинции Чжэцзян сбрасывал токсичные отходы в близлежащую реку.

Кроме того, до сих пор не решена проблема с переработкой солнечных батарей . Бен Сантаррис, директор по стратегическим вопросам SolarWorld, сказал, что его компания прикладывает усилия по переработке панелей, но результата пока нет. По словам Дастина Малвани, доцента экологических исследований в Государственном университете Сан-Хосе, переработка крайне важна из-за материалов, используемых для изготовления панелей, так как при попадании в мусорку они становятся опасны для окружающей среды. По данным Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation, на переработку солнечных панелей, выпущенных за все время в Японии, потребуется не менее 19 лет .

Как работают солнечные батареи

Cолнце есть и будет всегда! Возможно, это слишком смелое заявление, но это действительно так. По крайней мере, с точки зрения человечества. Пусть оно и взорвется через сколько-то там миллионов лет, но к тому времени мы уже покинем эту планету или сами, или в виде кучки пепла, которую развеет в космосе очередной огромный камень, налетевший на наш голубой шарик. Именно из-за такой стабильности Солнца его можно и нужно использовать для получения энергии. Люди уже давно научились это делать и сейчас продолжают совершенствовать технологии солнечной энергетики. Но как же работают солнечные панели, батареи и вообще, как можно превратить свет в электричество внутри розетки?

Солнечные панели позволяют сделать электричество чуть ли не бесплатным.

Когда появились солнечные батареи

Солнечные батареи были изобретены достаточно давно. Впервые эффект преобразования света в электричество был обнаружен Александром Эдмоном Беккерелем в 1842 году. Для создания первых прототипов потребовалось почти сто лет.

В 1948 году, а именно 25 марта, итальянский фотохимик Джакомо Луиджи Чемичан смог сделать то, что мы теперь используем и развиваем. Спустя 10 лет в 1958 году технология впервые была опробована в космосе в качестве элемента питания американского спутника, названного ”Авангард-1”. Спутник был запущен 17 марта, а уже 15 мая того же года это достижение повторили в СССР (аппарат ”Спутник-3”). То есть технологи начала массово применяться в разных странах почти одновременно.

Использование солнечных панелей в космосе — обычная практика.

Подобные конструкции применяются в космосе до сих пор, как важный источник энергии. А еще их используют на Земле для обеспечения энергией домов и даже целых городов. А еще их начали встраивать в гражданские электромобили для обеспечения большей автономности.

Вообще, важность подобных элементов невозможно переоценить. Только так можно добиться получения энергии в любой точке планеты. Гидроэнергетика, атомные станции, ветряки и тому подобные системы могут быть размещены только в определенных местах, стоят очень дорого или требуют соответствующей инфраструктуры. И только солнечные панели позволяют построить дом в пустыне и электрифицировать его. За относительно небольшие деньги. На «ветряк» их точно не хватит.

Как работают солнечные панели

Стоит немного уточнить, что понятие ”солнечная батарея” не очень правильное. Точнее правильное, но не имеющее отношение к тем системам питания, о которых мы говорим. Батарея там обычная, но получает энергию от солнечных панелей, которые преобразуют в электричество свет солнца.

В основе солнечной панели лежат фотоэлектрические ячейки, которые помещены внутрь общей рамы. Для создания таких ячеек чаще всего используется кремний, но возможно использование и других полупроводников.

Энергия вырабатывается в тот момент, когда на полупроводник попадают солнечные лучи и нагревают его. В результате этого внутри полупроводника высвобождаются электроны. Под действием электрического поля электроны начинают двигаться более упорядоченно, что и приводит к появлению электрического тока.

Примерно так выглядит солнечная панель.

Для того, чтобы получить электричество, надо подключить контакты к обеим сторонам фотоэлемента. В результате этого он начнет питать электричеством подключенный потребитель или просто заряжать батарею, которая потом будет отдавать электричество в сеть, когда это понадобится.

Основной упор на кремний делается из-за его кристаллических особенностей. Впрочем, в чистом виде кремний сам по себе является плохим проводником и для изменения свойств к нему делается крайне малое количество примесей, которые улучшают его проводимость. В основном в число примесей входит фосфор.

Как полупроводники вырабатывают электричество?

Полупроводник является материалом, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо их не хватает (p-тип). То есть полупроводник состоит из двух слоев с разной проводимостью.

В качестве катода в такой схеме используется n-слой. Анодом является p-слой. То есть электроны из первого слоя могут переходить во второй. Переход происходит за счет выбивания электронов фотонами света. Один фотон выбивает один электрон. После этого они, проходя через аккумулятор, попадают обратно в n-слой и все идет по кругу.

Когда энергия выработана, все начинается по кругу, а свет всегда горит.

В современных солнечных панелях в качестве полупроводника используется кремний, а начиналось все с селена. Селен показал крайне низкий КПД — не более одного процента — и ему сразу стали искать замену. Сейчас кремний в целом удовлетворяет требования промышленности, но есть у него и один существенный минус.

Обработка и очистка кремния для приведения его к тому виду, в котором его можно будет использовать, является достаточно затратной процедурой. Чтобы снизить стоимость производства, проводят эксперименты с его альтернативами — медью, индием, галием и кадмием.

Эффективность солнечных панелей

Есть у кремния еще один минус, который не так существенен, как стоимость, но с которым тоже надо бороться. Дело в том, что кремний очень сильно отражает свет и из-за этого элемент вырабатывает меньше электричества.

Даже повесив столько панелей, все равно надо обеспечивать их нормальную работу. В том числе бороться с отражением света.

Для того, чтобы уменьшить такие потери, фотоэлементы покрывают специальным антибликовым покрытием. Кроме такого слоя, надо использовать и защитный слой, который позволит элементу быть более долговечным и противостоять не только дождю и пыли, но даже падающим веткам небольшого размера. При установке на крыше дома это очень актуально.

Солнце -сила! Ее надо использовать!

Несмотря на общую удовлетворенность технологией и постоянную борьбу за улучшение показателей, современным солнечным панелям все равно есть куда стремиться. На данный момент массово производятся панели, которые перерабатывают до 20 процентов попадающего на них света. Но есть и более современные панели, которые пока ”доводятся до ума” — они могут перерабатывать до 40 процентов света.

А вообще, солнечная энергетика это круто! И помните, даже при таком «пАлящем» солнце система будет работать.