Человек всегда мечтал «приручить» природу и заставить её работать на себя. Сегодня всё чаще взгляды учёных обращаются к солнцу, но не для того, чтобы погреться в его лучах... На заре цивилизации был укрощен огонь, а теперь, похоже, настала очередь солнца. Его энергия – это не только неиссякаемый источник тепла, но и экологически чистый энергоноситель, к тому же бесплатный. Всё, что остаётся сделать человеку, – максимально уловить солнечный поток и преобразовать его в удобные для использования виды энергии.

Пассивные и активные

Для преобразования солнечного потока в электрическую и тепловую энергии служат устройства, именуемые гелиоустановками. Они бывают пассивными и активными. В первых происходит прямая подача лучей в теплопотребляющие объекты без какого бы то ни было регулирования энергии. Это парники и теплицы, зимние сады, покрытые чёрной краской баки для подогрева воды в летнем душе. К активным гелиоустановкам относятся высокотехнологические устройства преобразования солнечной энергии в тепловую и электрическую. Первые гелиоустановки были созданы ещё в 60-е гг. прошлого века. В Европе они широко эксплуатируются уже на протяжении как минимум двух десятков лет. Новым (а точнее, «диковинным» и непривычным) подобное оборудование считается лишь у нас, россиян. Несмотря на то что в СССР велись научные разработки в этой области, всё же практического применения они почти не получили.

Первая реакция нашего соотечественника, владельца частного дома, на предложение использовать гелиоустановку выглядит примерно следующим образом: «А зачем мне эта головная боль? Система наверняка сложная, дорогая, а газ пока ещё дешёвый. Да и солнечных дней в средней полосе России не так уж много. Это вам не Рио-де-Жанейро». Не будем спешить с выводами. Мы предлагаем сначала разобраться с устройством и принципом работы гелиоустановок, а затем попробовать подсчитать экономическую выгоду от их применения.

Фотоэлектрические солнечные батареи

Итак, начнём с фотоэлектрических батарей (фотогальванических элементов, модулей),  принцип действия которых состоит в прямом преобразовании солнечного света в электрический ток. Основу фотоэлектрической панели (ФЭП) составляют кремниевые пластины. При изготовлении в них формируют две зоны, способные проводить ток отличающимися друг от друга способами. Это зона n-типа (где содержится больше отрицательно заряженных электронов) и зона р-типа (где содержится больше «дырок», на месте которых должны были бы находиться отрицательно заряженные электроны), что сообщает участку положительный заряд. В данные зоны вводятся примеси химических элементов (обычно – бора и фосфора) для придания необходимых электрических свойств. Солнечный свет (фотоны), падая на ФЭП, выбивает электроны со своих мест и придаёт им энергию, достаточную для перетекания через р-n-переход. Они отрываются от n-слоя и проникают в р-слой, притягиваясь его положительным зарядом. Электроны соседних атомов занимают «дырки», оставленные подвижными электронами. В итоге между двумя слоями создаётся электрический ток. Он течёт в наружную электрическую цепь по металлической контактной сетке, установленной в верхней части пластины. Сверху ФЭП имеет стеклянное или прозрачное пластиковое покрытие. Весь «пирог» панели заключён в жёсткую алюминиевую раму. Чтобы выработать ток, необходимый для питания множества домашних электроприборов, одного фотоэлектрического модуля мало. Поэтому их, как правило, соединяют последовательно и/или параллельно между собой и объединяют в общую батарею.

Теперь, после небольшого «урока физики», обратимся к практике. Для появления в доме независимого источника электроэнергии необходима фотоэлектрическая система, которая включает в себя несколько фотоэлектрических модулей для генерирования постоянного тока; инвертор для преобразования постоянного тока в переменный; батареи аккумуляторов, а также контроллер заряда аккумуляторной батареи, предотвращающий губительные для неё глубокий разряд и перезаряд. Энергия может идти напрямую к различным потребителям постоянного тока, накапливаться в аккумуляторных батареях для дальнейшего её использования или покрытия пиковой нагрузки, преобразовываться в переменный ток напряжением 220 В.

Панели монтируют на южной стороне крыши либо на южном, восточном, западном фасадах здания. Модуль мощностью 1 кВт занимает площадь чуть меньше 10 м2. Имеет массу  –  около 150 кг.