Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Вопросы и ответы
Содержание
  1. Из чего состоит
  2. Виды аккумуляторов, используемых в батареях
  3. Стартерные аккумуляторы
  4. Гелевые аккумуляторы
  5. AGM батареи
  6. Заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы
  7. Как определить размер и количество фотоэлементов?
  8. Как подключаются элементы в батарее
  9. Обходные диоды
  10. Основные принципы
  11. Монокристаллические
  12. Поликристаллические
  13. Тонкопленочные модули из аморфного кремния
  14. Схема подключения батареи к контроллерам и аккумуляторам
  15. Как добиться максимальной эффективности
  16. Кремниевые полупроводники
  17. Солнечные батареи: терминология
  18. Внутреннее устройство гелиобатареи
  19. Виды кристаллов фотоэлементов
  20. Принцип работы солнечной панели
  21. Эффективность батарей гелиосистемы
  22. Сфера применения солнечной энергии
  23. Преимущества солнечных батарей
  24. Недостатки солнечных батарей
  25. Отопление солнечной энергией домов
  26. Схема электропитания дома от солнца
  27. Правила установки

Из чего состоит

Солнечная панель представляет собой жесткое прямоугольное основание того или иного размера, на котором размещены отдельные ячейки – фотоэлементы. Для механической защиты и защиты от окружающей среды вся конструкция обрамлена и покрыта стеклом.

Поскольку элементы очень хрупкие, их дополнительно защищают с двух сторон полимерной подложкой, причем верхняя обязательно прозрачная.

Солнечная панель

На рисунке цифрами обозначено:

  • 1 — жесткое основание;
  • 2 — полимерная подложка;
  • 3 — рама;
  • 4 — защитное стекло;
  • 5 — ячейки фотоэлементов.

Каждая из ячеек представляет собой небольшой генератор, преобразующий свет (не обязательно солнечную энергию) в электрическую энергию. Для достижения желаемого выходного напряжения и тока фотогальванические элементы каким-то образом электрически связаны между собой.

Виды аккумуляторов, используемых в батареях

Аккумуляторы являются важным элементом в системе круглосуточного энергоснабжения дома солнечной энергией.

В этих устройствах используются следующие типы аккумуляторов:

  • запуск;
  • гель;
  • АГМ аккумуляторы;
  • залитые (ОПЗС) и герметичные (ОПЗВ) батареи.

Другие типы батареек, такие как щелочные или литиевые, дороги и редко используются.

Все эти типы устройств должны работать при температуре от +15 до +30 градусов.

Стартерные аккумуляторы

Самый распространенный тип аккумуляторов. Они дешевы, но имеют большой ток саморазряда. Поэтому через несколько пасмурных дней аккумуляторы будут разряжаться даже при отсутствии нагрузки.

Недостатком таких агрегатов является то, что в процессе работы происходит газовыделение. Поэтому их необходимо устанавливать в хорошо проветриваемом нежилом помещении.

Кроме того, срок службы таких аккумуляторов составляет до 1,5 лет, особенно при нескольких циклах заряда-разряда. Поэтому в долгосрочной перспективе эти устройства будут самыми дорогими.

Гелевые аккумуляторы

Гелевые аккумуляторы не требуют технического обслуживания. При работе отсутствуют газовыделения, поэтому их можно устанавливать в жилом помещении и помещении без вентиляции.

Такие устройства обеспечивают высокий выходной ток, высокую емкость и малый ток саморазряда.

Недостатком таких устройств является их высокая цена и короткий срок службы.

AGM батареи

Эти батареи имеют короткий срок службы, но у них есть много преимуществ:

  • отсутствие газовыделения при работе;
  • маленький размер;
  • большое количество (около 600) циклов заряда-разряда;
  • быстрая (до 8 часов) зарядка;
  • хорошая производительность при неполной зарядке.

Заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы

Такие устройства являются самыми надежными и имеют самый долгий срок службы. Имеют низкий ток саморазряда и высокое энергопотребление.

Эти свойства делают такие устройства наиболее популярными для установки в фотоэлектрических системах.

Как определить размер и количество фотоэлементов?

Требуемый размер и количество фотоэлементов зависит от напряжения, тока и мощности, которые необходимо получить от батареи. Напряжение одного элемента в солнечный день 0,5 В. В пасмурную погоду значительно ниже.

Таким образом, для зарядки аккумуляторов 12 В последовательно подключаются 36 фотоэлементов. Следовательно, для аккумуляторов на 24 В требуется 72 элемента и так далее. Их общее количество зависит от площади одного элемента и требуемой мощности.

Квадратный метр площади батареи с учетом КПД может выдавать примерно 150 Вт. Более точно его можно определить по метеорологическим справочникам, которые показывают количество солнечной радиации на месте установки солнечной электростанции или в Интернете. КПД устройства указан в паспорте.

При создании фотоэлектрической электростанции своими руками необходимое количество элементов определяется мощностью одного элемента в данных климатических условиях с учетом КПД.

Как подключаются элементы в батарее

Поскольку выходное напряжение отдельной ячейки невелико (обычно 0,6 В), их соединяют с батареями, в том числе последовательно. Для увеличения выходного тока такие аккумуляторы, будем называть их модулями, соединяют параллельно.

На рисунке ниже мы видим батарею, состоящую из двух модулей, соединенных параллельно. Диоды используются для того, чтобы ток от модуля, имеющего большую ЭДС, не утекал на соседа, а напряжение от аккумулятора ночью «переплавлялось» обратно в панель.

Установка солнечной батареи, состоящей из двух модулей по 30 ячеек в каждом

Часто солнечными панелями называют электростанции, состоящие из панели (панелей), специального контроллера, аккумулятора и часто преобразователя постоянного тока в переменный на 220 В. Это не совсем верно, поскольку аккумулятор — это, строго говоря, просто панель или группа панелей, соединенных между собой каким-либо образом.

Обходные диоды

Еще один элемент, который очень желательно установить, но почему-то пренебрегают при проектировании солнечных генераторов, это байпас или, как еще говорят, байпас. Для чего это? Давайте посмотим на график выше. Нас интересует верхний модуль по схеме, состоящий из элементов СЗ1-СЗ30.

Пока все элементы освещены и находятся в хорошем состоянии, батарея обеспечивает заданное напряжение и ток. Закроем один элемент одной рукой. Оказавшись в тени, фотоэлемент начинает «проскальзывать» — вырабатываемое им напряжение падает, сопротивление увеличивается в десятки раз.

В результате практически перестает работать весь модуль, так как все элементы в нем соединены последовательно. То же самое произойдет, если элемент сломался или вышел из строя по какой-либо другой причине.

Пока все элементы работают, шунтирующие их диоды блокируются обратным напряжением, создаваемым самими фотоэлементами. Как только элемент перестанет работать по какой-либо причине, генерируемое им напряжение упадет.

Диод откроется и позволит току обойти неисправную ячейку. В результате весь модуль будет продолжать функционировать, а выход из строя приведет лишь к небольшому падению напряжения, которое произвела вышедшая из строя ячейка.

Важно! В качестве байпаса желательно использовать диоды с барьером Шоттки, которые имеют меньшее падение напряжения. Конечно, это дороже, но оно того стоит.

Основные принципы

Солнечные панели состоят из солнечных элементов, упакованных в общий каркас. Каждый из них изготовлен из полупроводникового материала, такого как кремний, который чаще всего используется в солнечных элементах.

Когда лучи падают на полупроводник, он нагревается и частично поглощает их энергию. Приток энергии высвобождает электроны внутри полупроводника. На фотоэлемент воздействует электрическое поле, которое направляет свободные электроны, заставляя их двигаться в определенном направлении. Этот поток электронов образует электрический ток.

Если к верхней и нижней части фотоэлемента прикрепить металлические контакты, то можно будет пропускать полученный ток по проводам и использовать его для работы различных устройств. Сила тока, наряду с напряжением элемента, определяет количество электричества, производимого фотоэлементом.

Монокристаллические

Элемент этого типа, как можно догадаться из названия, представляет собой тонкий срез очень большого кристалла кремния.

Монокристаллические элементы характеризуются достаточно высоким КПД (до 25%), но они относительно дороги – вырастить кристалл такого размера и требуемой чистоты, а затем «вырезать» его непросто. Монокристаллический модуль имеет равномерный серый или темно-синий цвет.

Поликристаллические

Элементы этого типа получают плавлением и медленным охлаждением кремния. В результате образуется пластина, содержащая большое количество мелких кристаллов. Мощность каждого из них небольшая, но в плите они работают параллельно и дают вполне приличные токи.

Модули на основе поликристаллов стоят значительно дешевле монокристаллов, но имеют меньший КПД (обычно не более 18%). Поликристаллический модуль имеет характерный синий или темно-синий цвет с выраженной зернистой структурой.

Тонкопленочные модули из аморфного кремния

Такие модули изготавливаются путем нанесения полупроводникового слоя на стеклянную или полимерную подложку. При этом толщина нагара обычно составляет тысячные доли миллиметра. Благодаря малой материалоемкости и хорошей технологичности аморфные элементы значительно дешевле даже поликристаллических.

К тому же, если в качестве подложки использовать полимерную пленку, такую ​​батарею можно буквально свернуть в трубочку и легко разместить на неровной поверхности.

Цена за все эти преимущества невысока — всего 5-8% — КПД. Аморфный модуль имеет равномерную красновато-коричневую или черную окраску. Ну а если из пленки, то конечно легко гнется.

Экспертное мнениеАлексей БартошСпециалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники. Задать вопрос В космических станциях и для питания спутников используются гибридные элементы, где используются разные материалы, и изготавливаются они одновременно по нескольким технологиям.

Это позволяет аккумулятору «видеть» очень широкий спектр излучений и повышает КПД элементов до 40-50%.

Схема подключения батареи к контроллерам и аккумуляторам

Мы выяснили, как устроены солнечные батареи и из чего они состоят. Теперь поговорим о практическом использовании. Сама по себе солнечная панель малопригодна. Он выдает не очень высокое напряжение, которое к тому же постоянно меняется. Пасмурно — волнение одно, солнце — другое. Подошла туча — у нас получился прыжок.

Кроме того, солнечная панель вырабатывает постоянный ток, в то время как большинство бытовых приборов работают на переменном токе. И, конечно же, ночью солнечные батареи совершенно бесполезны.

Чтобы получить какую-то пользу от такого источника, необходимо запасать энергию и преобразовывать ее в нужные значения. Это означает, что вам нужно построить солнечную электростанцию.

В качестве накопителя энергии очень удобно использовать обычные автомобильные аккумуляторы. Они идеально согласованы по напряжению и легко подбираются по емкости. Помимо того, что аккумулятор будет запасать энергию, он дополнительно стабилизирует напряжение. Упало на панель — потребитель получит питание от аккумулятора.

Поднятый — панель будет питать потребителей и одновременно заряжать аккумулятор.

Преобразование постоянного напряжения аккумулятора в 220 В переменного тока легко осуществить с помощью так называемого инвертора (преобразователя). Сегодня таких устройств самой разной мощности и цены полно счетчиков.

Важно! При выборе инвертора необходимо учитывать, что некоторые бытовые приборы, например холодильники, требуют чистой синусоиды. Большинство недорогих устройств выдают не настоящую синусоиду, а так называемую приблизительную, которая состоит из набора прямоугольников с разной полярностью.

Но нельзя просто взять и подключить панель к аккумулятору. Ведь аккумулятор нужно заряжать определенным током, а давать ему заряжаться нельзя. Поэтому нам нужен еще один узел — контроллер заряда аккумулятора.

Он будет самостоятельно сопротивляться зарядному току и отключать аккумулятор от панели, если он полностью заряжен или панель не в состоянии обеспечить требуемое напряжение.

купить такой прибор тоже не проблема, есть и очень доступные модели, но при желании можно взять прибор с целым набором дополнительных функций: вольтметр, таймер, собственный преобразователь и тд, цена конечно будет уместно. Что касается схемы подключения всех узлов, то она достаточно проста.

Оно не требует особых пояснений. Напряжение с панели подается на контроллер, который заряжает аккумулятор и управляет низковольтной нагрузкой (не все модели). Аккумулятор, в свою очередь, питает инвертор, если энергии солнечной панели недостаточно для этих целей.

Конечно, такая компоновка не универсальна — все будет зависеть от используемого контроллера. В любом случае он окажется таким же простым и обязательно будет в комплекте с устройством.

Читайте также: Электромагнитные двигатели: схема, принцип работы

Как добиться максимальной эффективности

Чтобы работа солнечной электростанции была максимально эффективной, при строительстве и монтаже необходимо учитывать некоторые особенности солнечных панелей. Особое внимание следует уделить следующим моментам:

  1. Температура. Чем ниже температура окружающего воздуха и самой панели, тем она эффективнее. Поэтому мы не закрываем солнечные батареи от ветра и тем более не помещаем их в стеклянный аквариум для дополнительной защиты. Производители уже позаботились об охране окружающей среды.
  2. Оттенок. Устанавливаем батареи в месте, где в течение дня не будет тени. Как только элементы попадут в тень, их эффективность упадет на 50-60%.
  3. Угол наклона. Наиболее эффективно панель работает, когда солнечные лучи падают на нее под прямым углом. Конечно, вытерпеть не получится — солнце движется. Вот почему мы устанавливаем прямой угол в полдень в середине весны. Это будет оптимально.
  4. Пыль. Регулярно очищайте панель от пыли и другого мусора. Даже едва заметный глазу слой пыли задерживает до 40% солнечных лучей. Поэтому не ленимся, берем шланг и «купаем» наши аккумуляторы.
  5. Отражение. Если элементы закрыты обычным стеклом, часть света просто отражается от него, не доходя до фотоэлементов. Этот эффект особенно выражен утром и вечером, когда угол падения лучей невелик. Частично с этим можно бороться с помощью антибликового покрытия. Если есть такая возможность, стоит купить именно такие панели. Это будет стоить немного дороже, а эффект будет очень ощутимым.
  6. Чек об оплате. Эффективность солнечной электростанции во многом зависит от того, насколько эффективно используется энергия, вырабатываемая панелью. Этим занимается контроллер, который может быть двух типов: PWM и MPPT.

Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что второй тип гораздо предпочтительнее, так как он следит за точкой максимального тока, поддерживая ток и напряжение постоянными на оптимальном для текущего освещения значении. ШИМ-контроллер регулирует только величину напряжения, поступающего от панели, тем самым оптимизируя зарядный ток аккумулятора.

Достоинства и недостатки

К достоинствам можно отнести: Экологичность. Нет дыма, выбросов или сажи. Только чистая энергия и свежий воздух. Солнечная электростанция не урчит, как бензиновый двигатель, и не дымит прямо под окном. Практически не требует обслуживания и расходных материалов. Кроме того, мы полностью независимы от капризов энергокомпаний и сбоев в работе линий. Долгий срок службы.

Единственным слабым звеном солнечной электростанции является аккумулятор, срок службы которого исчисляется несколькими годами. Сами солнечные панели могут служить десятилетиями. Они, конечно, тоже со временем портятся, но так как сделаны хорошим производителем, особых проблем лет 15-20 не доставят.

А теперь о недостатках:

Стоимость. Солнечные панели дешевеют, но все еще достаточно дороги. Например, аккумулятор из поликристаллов (не самый дорогой вариант) мощностью 300 Вт обойдется примерно в 7-8 тысяч рублей. Преобразователь киловатта, показанный на картинке выше, стоит примерно столько же. Ну и плюс батарея и контроллер.

В зависимости от погоды. Если плохая погода продолжится, мы можем остаться без электричества. Перспектива не из приятных Климатическая зона. Этот пункт напрямую связан с предыдущим. Если в вашем регионе постоянные дожди и туманы, а солнце появляется раз в неделю, толку от солнечной электростанции будет мало.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что говорить о «бесплатной» солнечной энергии пока рано. Тем не менее, этот вариант станет отличным выходом, когда других вариантов нет (простите за каламбур).

Неэлектрифицированные дачи, охотничьи домики, отдаленные пасеки..да мало ли объектов куда нельзя проложить ЛЭП. Та же поездка в Гималаи. Взял свернутую в трубочку панель и аккумулятор от мопеда. Карманный контроллер, инвертор не требуется. И свет, и музыка, и связь, и даже ноутбук.

Вот мы и выяснили, что такое солнечные панели, из чего они состоят, как они работают и что умеют. Возможно, прочитав эту статью, кто-то задумается о строительстве солнечной электростанции.

Кремниевые полупроводники

Рассмотрим процесс высвобождения электронов на примере кремния. Атом кремния имеет 14 электронов на трех оболочках. Первые две оболочки полностью заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Третья оболочка полупустая — на ней всего 4 электрона.

Благодаря этому кремний имеет кристаллическую форму; Пытаясь заполнить пустоты в третьей оболочке, атомы кремния пытаются «поделиться» электронами со своими соседями. Однако кристалл кремния в чистом виде является плохим проводником, так как почти все электроны прочно закреплены в кристаллической решетке.

Поэтому в солнечных батареях не используется чистый кремний, а в кремний вводятся кристаллы с небольшими примесями, т.е атомами других веществ. На миллион атомов кремния приходится только один атом, например атом фосфора.

Фосфор имеет пять электронов на внешней оболочке. Четыре из них образуют кристаллические связи с соседними атомами кремния, а пятый электрон фактически остается «висящим» в пространстве, без каких-либо связей с соседними атомами.

Когда солнечные лучи попадают на кремний, электроны получают дополнительную энергию, которой достаточно, чтобы оторвать их от соответствующих атомов. В результате «дырки» остаются на месте. Освобожденные электроны блуждают по кристаллической решетке как переносчики электрического тока. Обнаружив еще одну «дыру», они ее заполняют.

Но в чистом кремнии таких свободных электронов слишком мало из-за сильных связей с атомами в кристаллической решетке. Совсем другое дело кремний с примесью фосфора. Для высвобождения несвязанных электронов в атомах фосфора требуется гораздо меньше энергии.

Большинство этих электронов становятся свободными носителями, которыми можно эффективно управлять и использовать для выработки электроэнергии. Процесс добавления примесей для улучшения химических и физических свойств вещества называется легированием.

Кремний, легированный атомами фосфора, становится электронным полупроводником n-типа (от слова «отрицательный», из-за отрицательного заряда электронов).

Кремний также легирован бором, у которого на внешней оболочке всего три электрона. В результате получается полупроводник p-типа (от «положительный»), в котором появляются свободные положительно заряженные «дырки».

Солнечные батареи: терминология

В теме «солнечная энергия» много нюансов и неясностей. Новичкам часто бывает сложно сначала понять все незнакомые термины. Но без этого неразумно заниматься солнечной энергетикой, приобретать оборудование для выработки «солнечной энергии.

По незнанию можно не только выбрать не ту панель, но и только сжечь ее при подключении, или извлечь из нее слишком мало энергии.

Установка солнечных батарей позволяет рационально использовать бесплатную, к тому же неисчерпаемую энергию солнечных лучей. Миниатюрные электростанции, собранные из солнечных батарей, будут обеспечивать энергией неэлектрифицированные объекты и дома, расположенные в регионах с перебоями в подаче электроэнергии.

Установки, преобразующие УФ-излучение в электричество, занимают минимум места, их размещают на крыше домов, хозяйственных построек, гаражей, беседок, веранд. Реже они располагаются на открытых площадках, не занятых постройками и растительностью

Солнечные батареи – незаменимое оборудование для любителей путешествий. Он даст энергию вдали от источников электроэнергии.Использование солнечной энергии даст возможность значительно сократить расходы на содержание коттеджей и загородных домов.Вы сможете легко собрать и установить экономически полезную систему своими руками.

Размещенные на корме яхты, палубе корабля или носу лодки солнечные батареи будут обеспечивать электроэнергией, благодаря которой вы сможете поддерживать стабильную связь с берегом

Портативная солнечная панель с аккумулятором исключит возникновение экстремальных ситуаций вдали от населенных пунктов, гарантирует зарядку мобильных устройств для связи с любимыми солнечными панелями на крыше.

Во-первых, следует разобраться в существующих разновидностях оборудования солнечной энергетики. Солнечные панели и солнечные коллекторы — это два принципиально разных устройства. Оба преобразуют энергию солнечных лучей.

Но в первом случае потребитель на выходе получает электрическую энергию, а во втором случае тепловую энергию в виде нагретого теплоносителя, т.е для обогрева дома используются солнечные батареи.

Максимальной отдачи от солнечной панели можно добиться, только зная, как она работает, из каких узлов и агрегатов состоит и как все это соединяется между собой

Второй нюанс – это понятие термина «солнечная батарея». Как правило, слово «батарея» относится к устройству, которое накапливает электричество. Или на ум приходит банальный радиатор отопления. Но когда речь идет о солнечных батареях, ситуация кардинально иная. Они ничего не собирают.

Солнечная панель вырабатывает постоянный электрический ток. Для преобразования в переменную (используемую в быту) в схеме должен присутствовать преобразователь

Солнечные панели предназначены исключительно для выработки электроэнергии. В свою очередь, она накапливается для снабжения дома электричеством в ночное время, когда солнце садится за горизонт, уже в батареях, дополнительно присутствующих в системе электроснабжения станции.

Батарея здесь подразумевается в связи с неким набором однотипных компонентов, собранных для чего-то. По сути, это просто панель из нескольких одинаковых фотоэлементов.

Внутреннее устройство гелиобатареи

Солнечные панели постепенно становятся дешевле и эффективнее. Сейчас они используются для зарядки аккумуляторов в уличных фонарях, смартфонах, электромобилях, частных домах и на спутниках в космосе. Из них даже начали строить полноценные солнечные электростанции (СЭС) с большими объемами генерации.

Солнечная батарея состоит из множества фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей из ПВХ), которые преобразуют фотонную энергию солнца в электричество

Каждый солнечный элемент выполнен в виде блока из определенного количества модулей, объединяющих последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Чтобы понять принципы работы такой батареи, необходимо разобраться в работе этого последнего звена в блоке солнечной панели, выполненном на основе полупроводников.

Виды кристаллов фотоэлементов

Существует большое количество альтернатив ФЭП из различных химических элементов. Однако большинство из них находятся на начальной стадии развития. В промышленных масштабах в настоящее время производятся только панели фотоэлементов на основе кремния.

Кремниевые полупроводники используются в производстве солнечных элементов из-за их низкой стоимости, особо высоким КПД они похвастаться не могут

Обычный солнечный элемент в солнечной панели представляет собой тонкую пластину из двух слоев кремния, каждый из которых имеет свои физические свойства. Это классический полупроводниковый p-n переход с электронно-дырочными парами.

Когда фотоны попадают на ФЭП между этими полупроводниковыми слоями, из-за неоднородности кристалла создается вентильная фотоэдс, что приводит к разности потенциалов и потоку электронов.

Кремниевые пластины фотоэлементов различаются по технологии производства на:

  1. Монокристаллический.
  2. Поликристаллический.

Первые имеют более высокий КПД, но и себестоимость их производства выше, чем у вторых. Внешне один вариант солнечной панели от другого можно отличить по форме.

Солнечные энергетические системы для автономного электроснабжения состоят из солнечных панелей, составной частью которых является полупроводниковый фотоэлемент. По способу изготовления и непосредственно связанному с ним КПД фотоэлементы делятся на моно- и поликристаллические.

Монокристаллические альтернативы изготавливаются из монокристалла, выращенного в лабораторных условиях. Они темнее, внешне выглядят как прямоугольник со скошенными углами Монокристаллические кремниевые фотоэлементы генерируют энергию с КПД 20-22%. По цене они дороже поликристаллических.

Для устройства автономной электростанции можно купить как отдельные фотоэлементы для самостоятельной сборки, так и аккумуляторы в сборе и подготовленные к установке

Поликристаллические солнечные элементы изготавливаются из кремния, полученного плавлением и дальнейшим отверждением. Внешне это прямоугольники с четкими геометрическими формами, цвет их более светлый и голубой, производительность меньше — до 18% Монтируют солнечные панели из фотоэлементов обоих типов по общим правилам.

В готовом к сборке модуле должно быть 36 или 72 шт. Как моно-, так и поликристаллические фотоэлементы монтируются пайкой спереди и сзади. Они соединены последовательно

Монокристаллические солнечные элементы имеют однородную структуру, они выполнены в виде квадратов со срезанными углами. Напротив, поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму.

Поликристаллы получают постепенным охлаждением расплавленного кремния. Этот способ предельно прост, поэтому стоят такие фотоэлементы недорого.

Но их производительность при выработке электроэнергии из солнечных лучей редко превышает 15%. Это связано с «загрязнённостью» полученных кремниевых пластин и их внутренней структурой. Здесь чем чище р-слой кремния, тем выше КПД солнечной батареи из него.

Чистота монокристаллов в этом отношении намного выше, чем у поликристаллических аналогов. Они сделаны не из расплавленного, а из искусственно выращенного твердого кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования таких солнечных элементов уже достигает 20-22%.

В общем модуле отдельные фотоэлементы собраны на алюминиевом каркасе, а для защиты сверху закрыты прочным стеклом, совершенно не мешающим солнечным лучам

Верхний слой пластинчатого фотоэлемента, обращенный к солнцу, изготовлен из того же кремния, но с добавлением фосфора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе р-п-переходов.

Настоящим прорывом в использовании солнечной энергии стала разработка гибких панелей с аморфным фотогальваническим кремнием:

При производстве гибких солнечных элементов кремний наносят слоями на полимерную пленку или металлическую фольгу. Правда, их КПД в два раза ниже, чем у кристаллических. Изобретение гибких солнечных панелей значительно расширило область их применения. Кроме того, они прочнее и легче поли- и монокристаллических элементов.

На рынке появились портативные зарядные устройства, выполненные на основе гибкого аккумулятора. Устройство оснащено аккумулятором для накопления заряда. Гибкие модели солнечных батарей лишены главного недостатка кристаллических фотоэлементов – хрупкости.

Принцип работы солнечной панели

Когда солнечный свет падает на фотоэлемент, в нем генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и «дырки» частично переходят через pn-переход из одного слоя полупроводника в другой.

В результате во внешней цепи появляется напряжение. При этом на контакте p-слоя образуется положительный полюс к источнику тока, а на n-слое — отрицательный.

Разность потенциалов (напряжение) между контактами фотоэлемента возникает из-за изменения количества «дырок» и электронов с разных сторон p-n перехода в результате облучения n-слоя солнечным светом

Фотоэлементы, подключенные к внешней нагрузке в виде батареи, образуют с ней замкнутый круг. В результате солнечная панель действует как своеобразное колесо, по которому вместе «бегут» электроны. И батарея постепенно перезаряжается.

Стандартные кремниевые фотоэлектрические инверторы представляют собой однопереходные элементы. Поток электронов в них происходит только через один pn-переход с зоной этого перехода, ограниченной по энергии фотонов.

То есть каждый такой фотоэлемент способен вырабатывать электричество только из узкого спектра солнечного излучения. Вся остальная энергия тратится впустую. Именно поэтому эффективность ФЭП так низка.

Для повышения эффективности солнечных элементов кремниевые полупроводниковые элементы для них в последнее время делают многопереходными (каскадными). В новых ФЭП уже есть несколько переходов. При этом каждый из них в этом каскаде рассчитан на свой спектр солнечного света.

Общая эффективность преобразования фотонов в электрический ток в таких фотоэлементах со временем возрастает. Но их цена гораздо выше. Здесь либо простое производство с низкой себестоимостью и низкой эффективностью, либо более высокая отдача в сочетании с высокими издержками.

Солнечная батарея может работать как летом, так и зимой (ей нужен свет, а не тепло) — чем меньше облачность и чем сильнее светит солнце, тем больше солнечная панель будет вырабатывать электроэнергии

Во время работы фотоэлемент и вся батарея постепенно нагреваются. Вся энергия, которая не использовалась для выработки электричества, превращается в тепло. Часто температура на поверхности солнечной панели поднимается до 50–55 °С. Но чем она выше, тем менее эффективно работает солнечная батарея.

В результате одна и та же модель солнечной батареи в жару вырабатывает меньше электроэнергии, чем в холод. Фотоэлементы показывают максимальную эффективность в ясный зимний день. Есть два фактора – много солнца и естественное охлаждение.

Кроме того, если на панель падает снег, она все равно будет продолжать генерировать электричество. Более того, снежинки даже не успевают на нем особо осесть, растаяв от тепла нагретых фотоэлементов.

Эффективность батарей гелиосистемы

один фотоэлемент даже в полдень при ясной погоде вырабатывает очень мало электроэнергии, ровно столько, сколько нужно для работы светодиодного фонарика.

Для увеличения выходной мощности несколько солнечных элементов объединяют параллельно для увеличения постоянного напряжения и последовательно для увеличения тока.

Эффективность солнечных батарей зависит от:

  • температура воздуха и сама батарея;
  • правильный выбор сопротивления нагрузки;
  • угол падения солнечных лучей;
  • наличие/отсутствие антибликового покрытия;
  • мощность светового потока.

Чем ниже температура на улице, тем эффективнее работают фотоэлементы и солнечная батарея в целом. Здесь все просто. А вот с расчетом нагрузки дело обстоит сложнее. Его следует выбирать исходя из тока, выводимого с панели. Но значение варьируется в зависимости от погодных факторов.

Солнечные панели изготавливаются с расчетом на выходное напряжение, кратное 12 В — если на аккумулятор нужно подать 24 В, то к нему нужно подключить две панели параллельно

Постоянно контролировать параметры солнечной батареи и вручную корректировать работу проблематично. Для этого лучше использовать контроллер управления, который автоматически подстраивает параметры самой солнечной панели для достижения от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.

Идеальный угол падения солнечных лучей на солнечный элемент – прямой. Однако при отклонении в пределах 30 градусов от перпендикуляра КПД панели падает всего примерно на 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла будет отражаться все большая доля солнечного излучения, что снижает эффективность солнечной батареи.

Если от батареи требуется выработка максимальной энергии летом, ее следует ориентировать перпендикулярно среднему положению солнца, которое она занимает в дни весеннего и осеннего равноденствий.

Для Подмосковья это примерно 40-45 градусов к горизонту. Если зимой требуется максимум, панель следует располагать в более вертикальном положении.

И еще — пыль и грязь значительно снижают работоспособность фотоэлементов. Фотоны через такой «грязный» барьер до них просто не доходят, а значит, и преобразовывать в электричество нечего. Панели необходимо регулярно мыть или располагать так, чтобы пыль смывалась только дождем.

Некоторые солнечные панели имеют встроенные линзы для концентрации излучения на солнечном элементе. В ясную погоду это приводит к повышению эффективности. А вот при сильном помутнении эти линзы приносят только вред.

Если обычная панель в такой ситуации продолжит вырабатывать электроэнергию, пусть и в меньших объемах, линзовая модель практически полностью перестанет функционировать.

В идеале солнце должно равномерно освещать батарею фотоэлементов. Если одна из его секций окажется затемненной, неосвещенные солнечные элементы станут паразитной нагрузкой. Они не только не вырабатывают энергию в такой ситуации, но и забирают ее у рабочих элементов.

Панели должны быть установлены так, чтобы на пути солнечных лучей не было деревьев, строений и других препятствий.

Сфера применения солнечной энергии

Существует три способа использования солнечной энергии:

  • Экономит электроэнергию. Солнечные панели позволяют исключить или уменьшить потребление централизованного электричества, а также продавать лишнюю электроэнергию электроэнергетической компании.
  • Электроснабжение объектов, подвод ЛЭП к которым невозможно или экономически невыгодно. Это может быть бытовка или охотничий домик, который находится вдали от линий электропередач. Такие устройства также используются для питания ламп в отдаленных участках сада или автобусных остановок.
  • Блок питания для мобильных и портативных устройств. Во время походов, поездок на рыбалку и других подобных мероприятий возникает потребность в зарядке телефонов, фотоаппаратов и других гаджетов. Для этого также используются солнечные батареи.

Преимущества солнечных батарей

Солнечная энергетика – перспективное направление, которое постоянно развивается. У них есть несколько основных преимуществ. Простота использования, долговечность, безопасность и доступность.

Положительные стороны использования данного типа аккумуляторов:

  • Возобновляемый – этот источник энергии практически не имеет ограничений, к тому же он бесплатный. По крайней мере, в течение следующих 6,5 миллиардов лет. Необходимо подобрать оборудование, установить его и использовать по назначению (в частном доме или дачном участке).
  • Изобилие — Поверхность Земли получает в среднем ок. 120 000 тераватт энергии, что в 20 раз превышает сегодняшнее потребление энергии. Солнечные батареи для дачи или частного дома имеют большой потенциал использования.
  • Постоянство — солнечная энергия постоянна, поэтому человечеству не грозит перерасход в процессе ее использования.
  • Доступность – солнечная энергия может быть получена в любом месте, лишь бы было естественное освещение. Однако чаще всего его используют для отопления дома.
  • экологическая чистота – солнечная энергетика – перспективная отрасль, которая в будущем заменит электростанции, работающие на невозобновляемых ресурсах: газе, торфе, угле и нефти. Безопасен для здоровья людей и домашних животных.

Важно: Отдельно хотелось бы выделить термоядерную энергетику. Несмотря на то, что «мирный атом» позиционируется как безопасный, при авариях на АЭС этот фактор полностью нивелируется (Три Лонг-Айленда, Чернобыль, Фукусима).

  • При производстве панелей и монтаже солнечных электростанций не происходит значительных выбросов вредных или токсичных веществ в атмосферу.
  • Тихий — производство электроэнергии почти бесшумное, поэтому этот тип электростанции лучше, чем ветряные электростанции. Их работа сопровождается постоянным гулом, из-за которого техника быстро выходит из строя, и сотрудникам приходится делать частые перерывы на отдых.
  • Экономичность — при использовании солнечных батарей владельцы недвижимости значительно сокращают счета за электроэнергию. Панели имеют долгий срок службы – производитель дает гарантию на панели от 20 до 25 лет. При этом обслуживание всей силовой установки сводится к периодической (раз в 5-6 месяцев) очистке поверхностей панелей от грязи и пыли

Недостатки солнечных батарей

К сожалению, этот практически неисчерпаемый источник энергии также имеет определенные ограничения и недостатки:

  • Высокая стоимость оборудования – автономная солнечная электростанция даже малой мощности доступна не каждому. Оснащение частного дома такими батареями стоит недёшево, но помогает снизить расходы на коммунальные платежи (электроэнергию).
  • оснащение собственного дома солнечными панелями потребует финансовых затрат.
  • Частота генерации – солнечная электростанция не способна обеспечить полноценную бесперебойную электрификацию частного дома.

 Важно: проблему можно решить установкой аккумуляторов большой емкости, но из-за этого возрастет стоимость получения энергии, что сделает его невыгодным по сравнению с традиционными энергоносителями.

  • Аккумулятор энергии — в солнечной электростанции батарея является самым дорогим элементом (даже небольшие батареи и панели на основе геля).
  • Низкое загрязнение окружающей среды – солнечная энергия считается экологически чистой, но процесс производства аккумуляторов сопровождается выбросами трифторида азота, оксидов серы. Все это создает «парниковый эффект».
  • Использование в производстве редкоземельных элементов — тонкопленочные солнечные панели состоят из теллурида кадмия (CdTe).
  • Удельная мощность – это количество энергии, которое можно получить с 1 квадратного метра счетчика энергии. В среднем этот показатель составляет 150-170 Вт/м2. Это намного больше, чем у других альтернативных источников энергии. Однако она несравненно ниже, чем у традиционной (это касается атомной энергетики).

Отопление солнечной энергией домов

Принцип работы солнечной батареи для отопления дома кардинально отличает их от всех вышеописанных устройств. Это совсем другое устройство. Описание следует ниже.

Основной частью системы солнечного отопления является солнечный коллектор, который получает свет и преобразует его в кинетическую энергию. Площадь этого элемента может варьироваться от 30 до 70 квадратных метров.

Для крепления коллектора используется специальная техника. Пластины соединены металлическими контактами.

Следующим элементом системы является накопительный котел. Он преобразует кинетическую энергию в тепловую энергию. Он участвует в нагреве воды, рабочий объем которой может достигать 300 литров. Иногда такие системы поддерживаются дополнительными котлами на сухом топливе.

Солнечная система отопления дополняется настенными и напольными элементами, где нагретая жидкость циркулирует по тонким медным трубкам, распределенным по всей площади. За счет низкой стартовой температуры панелей и равномерной теплоотдачи помещение прогревается достаточно быстро.

Схема электропитания дома от солнца

Солнечная энергетическая система включает в себя:

  1. Солнечные панели.
  2. Чек об оплате.
  3. Батареи.
  4. Инвертор (трансформатор).

Контроллер в этой схеме защищает как солнечные панели, так и аккумулятор. С одной стороны, он предотвращает протекание обратных токов ночью и в пасмурную погоду, а с другой стороны, защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.

Аккумуляторы для солнечных панелей следует подбирать с одинаковым возрастом и емкостью, иначе заряд/разряд будет происходить неравномерно, что приведет к резкому сокращению срока службы

Для преобразования постоянного тока в 12, 24 или 48 вольт в переменный 220 вольт требуется преобразователь. Автомобильные аккумуляторы не рекомендуется использовать в этой схеме из-за их неспособности выдерживать частые подзарядки. Лучше всего потратиться и купить специальные гелиевые AGM или заправить аккумуляторы OPzS.

Правила установки

Максимальная мощность панели достигается в положении, когда солнечные лучи падают перпендикулярно. Это необходимо учитывать при установке. Также важно учитывать, в какое время суток минимальная облачность. Если угол наклона кровли и ее расположение не соответствуют требованиям, его исправляют путем подгонки основания.

Между батареей и крышей должен быть воздушный зазор в 15–20 сантиметров. Это необходимо для стока дождя и защиты от перегрева.

Солнечные батареи плохо работают в тени, поэтому не следует размещать их в тени зданий и деревьев.

Электростанции на солнечных фотоэлектрических элементах являются перспективным экологически чистым источником энергии. Их широкое использование позволит решить проблемы с дефицитом энергии, загрязнением окружающей среды и парниковым эффектом.

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector