Принцип работы солнечной батареи как устроена и работает солнечная панель


Содержание страницы:

Устройство и принцип действия солнечной батареи

Солнечная батарея служит для прямого преобразования энергии солнечного света в электрическую. В настоящее время для производства батарей используют в основном кремний — наиболее распространенный в земной коре химический элемент. Исходным сырьем для изготовления кремния может служить, например, кварцевый песок. Необходимый для солнечных батарей кремний высокой чистоты получают путем применения многоступенчатых процессов обработки.

Наиболее широко применяемые солнечные батареи состоят из кремниевых шайб толщиной 0,3 – 0,4 мм. В каждую из таких шайб (кристалл) целенаправленно внесены примеси, например, бора и фосфора, в результате чего образуются два граничащих между собой слоя с разными электрическими характеристиками (рисунок 8. 2). В результате воздействия на кристалл солнечного света на переходе между слоями образуется электрическое поле. Верхняя и нижняя стороны кристалла снабжены металлическими выводами, с которых снимается электрический ток. Для того чтобы на поверхность кристалла попадало как можно больше света, металлические контакты выполнены в виде гребенки, а сама поверхность снабжена слоем, уменьшающим отражение.

Рисунок 6. 2 – Устройство кристаллической ячейки солнечной батареи

При освещении поверхности полученной таким образом гелиоячейки под действием света образуются свободные электрические заряды в виде электронов и дырок, которые разделяются электрическим полем. В результате этого между металлическими контактами возникает разность потенциалов или напряжение. Если к контактам подключить нагрузку, через нее потечет постоянный электрический ток. В используемых солнечных батареях рассмотренная ячейка обеспечивает напряжение 0,4 – 0,5 В, а величина тока почти пропорциональна световому потоку. Важным параметром солнечной ячейки является ее КПД, который представляет собой отношение снимаемой электрической мощности к световой, попадающей на поверхность кристалла.

Электрическая мощность, снимаемая с одной ячейки, измеряется в ваттах, с модуля — в киловаттах и с большой гелиоустановки — в мегаваттах. Упоминавшаяся базовая величина 1 кВт/м 2 может быть получена при прямом солнечном облучении. Кристалл ячейки размером 10 х10 см в зависимости от КПД обеспечивает снимаемую электрическую мощность 1,2 – 1,75 Вт. Для получения более высоких мощностей из отдельных ячеек собирают модули, на базе которых создают гелиоустановки (гелиогенераторы), используемые в различных областях техники.

Солнечные батареи работают бесшумно и не изнашиваются, так как не имеют подвижных частей. КПД кремниевых ячеек в течение десятков лет остается неизменным. В настоящее время изготовители модулей дают гарантию на 26 лет. Загрязнение солнечных модулей, устанавливаемых с небольшим углом наклона, практически не играет роли, так как дожди при средней частоте выпадения в достаточной степени смывают оседающую пыль. Благодаря этому батареи долговечны и практически не требуют эксплуатационных расходов. Они также не повреждаются снегом и гололедом.

Солнечные ячейки удобно монтировать в различные приборы, а мощные солнечные модули хорошо интегрируются в конструкции зданий. Для работы солнечных батарей не требуются жидкие или иные вещества, поэтому гелиоустановки полностью безопасны для окружающей среды.

Для получения нужной мощности солнечные элементы соединяются последовательно, параллельно, смешанно и образуют модуль, а модули объединяются в батареи (рисунки 8.2,и 8.3). Солнечные элементы могут быть круглыми (диаметром 100,125 и 150 мм) или квадратными (82х82,100х100 или 125х125 мм). Мощность элементов – 0,9. 2,7 Вт.. В зависимости от применений солнечные модули могут иметь разные конструктивные решения и разные выходные мощности. В настоящее время выпускаются три серии солнечных модулей:

Рисунок 6.3 – Соединение солнечных элементов

а) последовательное соединение; б) параллельное соединение;

в) смешенное соединение.

1) солнечные модули в алюминиевом каркасе, 32 типа диапазон мощностей от 3 до 120 Вт;

2) бескаркасные солнечные модули, 16 типов в диапазоне мощностей от 1,7 до 24 Вт;

3) солнечные модули на металле, 16 типов в диапазоне мощностей от 1,7 до 24 Вт;

Таким образом, преобразование солнечной энергии находит спрос во всем мире, и соответственно ведутся работы по преодолению основных недостатков в преобразовании солнечной энергии. Это понижение цен солнечных элементов, повышение их КПД и разработка новых технологии также эффективное использование в преобразовании солнечной энергии.

Рисунок 6.4 – Солнечная батарея

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10490 — | 7309 — или читать все.

91.105.232.77 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Блог трейдера

Торговые роботы, скальпинг, ммвб, фортс, алготрейдинг, опционы, московская биржа, стратегии трейдинга.

среда, 19 августа 2009 г.

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Принцип работы солнечной батареи: как устроена и работает солнечная панель

Эффективное преобразование бесплатных лучей солнца в энергию, которую можно использовать для электроснабжения жилья и иных объектов, – заветная мечта многих апологетов зеленой энергетики.

Но принцип работы солнечной батареи, и ее КПД таковы, что о высокой эффективности таких систем пока говорить не приходится. Было бы неплохо обзавестись собственным дополнительным источником электроэнергии. Не так ли? Тем более что уже сегодня и в России с помощью гелиопанелей “дармовой” электроэнергией успешно снабжается немалое количество частных домохозяйств. Вы все еще не знаете с чего начать?

Ниже мы расскажем вам об устройстве и принципах работы солнечной панели, вы узнаете, от чего зависит эффективность гелиосистемы. А размещенные в статье видеоролики помогут собственноручно собрать солнечную панель из фотоэлементов.

Солнечные батареи: терминология

В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.

По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.

Вначале следует разобраться в существующих разновидностях оборудования для гелиоэнергетики. Солнечные батареи и солнечные коллекторы – это два принципиально разных устройства. Оба они преобразуют энергию лучей солнца.

Однако в первом случае на выходе потребитель получает энергию электрическую, а во втором тепловую в виде нагретого теплоносителя.

Второй нюанс – это понятие самого термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается некое аккумулирующее электроэнергию устройство. Либо на ум приходит банальный отопительный радиатор. Однако в случае с гелиобатареями ситуация кардинально иная. Они ничего в себе не накапливают.

Солнечные батареи предназначены исключительно для генерации электрического тока. Он, в свою очередь, накапливается для снабжения дома электричеством ночью, когда солнце опускается за горизонт, уже в присутствующих дополнительно в схеме энергообеспечения объекта аккумуляторах.

Батарея здесь подразумевается в контексте некой совокупности однотипных компонентов, собранных в нечто единое целое. Фактически это просто панель из нескольких одинаковых фотоэлементов.

Внутреннее устройство гелиобатареи

Постепенно солнечные батареи становятся все дешевле и эффективней. Сейчас они применяются для подзарядки аккумуляторов в уличных фонарях, смартфонах, электроавтомобилях, частных домах и на спутниках в космосе. Из них стали даже строить полноценные солнечные электростанции (СЭС) с большими объемами генерации.

Каждая солнечная батарея устроена как блок из энного количества модулей, которые объединяют в себе последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Чтобы понять принципы функционирования такой батареи, необходимо разобраться в работе этого конечного звена в устройстве гелиопанели, созданного на базе полупроводников.

Виды кристаллов фотоэлементов

Вариантов ФЭП из разных химических элементов существует огромное количество. Однако большая их часть – это разработки на начальных стадиях. В промышленных масштабах сейчас выпускаются пока что только панели из фотоэлементов на основе кремния.

Обычный фотоэлемент в гелиопанели – это тонкая пластина из двух слоев кремния, каждый из которых имеет свои физические свойства. Это классический полупроводниковый p-n-переход с электронно-дырочными парами.

При попадании на ФЭП фотонов между этими слоями полупроводника из-за неоднородности кристалла образуется вентильная фото-ЭДС, в результате чего возникает разность потенциалов и ток электронов.

Кремниевые пластины фотоэлементов различаются по технологии изготовления на:

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

У монокристаллических ФЭП однородная структура, они выполняются в виде квадратов со срезанными углами. В отличие от них поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму.

Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого.

Но производительность в плане выработки электроэнергии из солнечных лучей у них редко превышает 15%. Связано это с “нечистотой” получаемых кремниевых пластин и внутренней их структурой. Здесь чем чище p-слой кремния, тем более высокий выходит КПД у ФЭП из него.

Чистота монокристаллов в этом отношении гораздо выше, нежели у поликристаллических аналогов. Их делают не из расплавленного, а из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования у таких ФЭП уже достигает 20-22%.

Обращенный к солнцу верхний слой пластинки-фотоэлемента делается из того же кремния, но уже с добавлением фосфора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

Принцип работы солнечной панели

При падении солнечных лучей на фотоэлемент в нем генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и «дырки» частично переносятся через p-n-переход из одного слоя полупроводника в другой.

В итоге во внешней цепи появляется напряжение. При этом на контакте p-слоя формируется положительный полюс источника тока, а на n-слоя – отрицательный.

Подключенные к внешней нагрузке в виде аккумулятора фотоэлементы образуют с ним замкнутый круг. В результате солнечная панель работает, как своеобразное колесо, по которому вместе белки “бегают” электроны. А аккумуляторная батарея при этом постепенно набирает заряд.

Стандартные кремниевые фотоэлектрические преобразователи являются однопереходными элементами. Переток в них электронов происходит только через один p-n-переход с ограниченной по энергетике фотонов зоной этого перехода.

То есть каждый такой фотоэлемент способен генерировать электроэнергию только от узкого спектра солнечного излучения. Вся остальная энергия пропадает впустую. Поэтому-то и эффективность у ФЭП так низка.

Чтобы повысить КПД солнечных батарей, кремниевые полупроводниковые элементы для них в последнее время стали делать многопереходными (каскадными). В новых ФЭП переходов уже несколько. Причем каждый из них в этом каскаде рассчитан на свой спектр солнечных лучей.

Суммарная эффективность преобразования фотонов в электроток у таких фотоэлементов в итоге возрастает. Но и цена их значительно выше. Здесь либо простота изготовления с невысокой себестоимостью и низким КПД, либо более высокая отдача вкупе с высокой стоимостью.

При работе фотоэлемент и вся батарея постепенно греется. Вся та энергия, что не пошла на генерацию электротока, трансформируется в тепло. Часто температура на поверхности гелиопанели поднимается до 50–55 0 С. Но чем она выше, тем менее эффективно работает фотогальванический элемент.

В итоге одна и та же модель солнечной батареи в жару генерирует тока меньше, нежели в мороз. Максимум КПД фотоэлементы показывают в ясный зимний день. Тут сказываются два фактора – много солнца и естественное охлаждение.

При этом если на панель будет падать снег, то электроэнергию она генерировать все равно продолжит. Более того, снежинки даже не успеют на ней особо полежать, растаяв от тепла нагретых фотоэлементов.

Эффективность батарей гелиосистемы

Один фотоэлемент даже в полдень при ясной погоде выдает совсем немного электроэнергии, достаточной разве что для работы светодиодного фонарика.

Чтобы повысить выходную мощность, несколько ФЭП объединяют по параллельной схеме для увеличения постоянного напряжения и по последовательной для повышения силы тока.

Эффективность солнечных панелей зависит от:

  • температуры воздуха и самой батареи;
  • правильности подбора сопротивления нагрузки;
  • угла падения солнечных лучей;
  • наличия/отсутствия антибликового покрытия;
  • мощности светового потока.

Чем ниже температура на улице, тем эффективней работают фотоэлементы и гелиобатарея в целом. Здесь все просто. А вот с расчетом нагрузки ситуация сложнее. Ее следует подбирать исходя из выдаваемого панелью тока. Но его величина меняется в зависимости от погодных факторов.

Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться контроллером управления, который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.

Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею – прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.

Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени.

Для московского региона – это приблизительно 40–45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.

И еще один момент – пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую “грязную” преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно.

Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред.

Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.

Солнце батарею из фотоэлементов в идеале должно освещать равномерно. Если один из ее участков оказывается затемненным, то неосвещенные ФЭП превращаются в паразитную нагрузку. Они не только в подобной ситуации не генерируют энергию, но еще и забирают ее у работающих элементов.

Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.

Схема электропитания дома от солнца

Система солнечного электроснабжения включает:

Контроллер в этой схеме защищает как солнечные батареи, так и АКБ. С одной стороны он препятствует протеканию обратных токов по ночам и в пасмурную погоду, а с другой – защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.

Инвертор нужен для трансформации постоянного тока на 12, 24 либо 48 Вольта в переменный 220-вольтовый. Автомобильные аккумуляторы применять в такой схеме не рекомендуется из-за их неспособности выдерживать частые перезарядки. Лучше всего потратиться и приобрести специальные гелиевые AGM либо заливные OPzS АКБ.

Выводы и полезное видео по теме

Принципы работы и схемы подключения солнечных батарей не слишком сложны для понимания. А с собранными нами ниже видеоматериалами разобраться во всех тонкостях функционирования и установки гелиопанелей будет еще проще.

Доступно и понятно, как работает фотоэлектрическая солнечная батарея, во всех подробностях:

Как устроены солнечные батареи:

Сборка солнечной панели из фотоэлементов своими руками:

Каждый элемент в системе солнечного электроснабжения коттеджа должен быть подобран грамотно. Неизбежные потери мощности происходят на аккумуляторах, трансформаторах и контроллере. И их обязательно надо сократить до минимума, иначе и так достаточно низкая эффективность гелиопанелей окажется сведена вообще к нулю.

Устройство и принцип работы солнечной батареи: схема и комплектующие, история создания

Уже почти два века человечество напряжённо думает, где и как достать необходимое количество электрической энергии для своих многочисленных изобретений и возрастающих потребностей.

За это время появились могучие электростанции, масштабные ГЭС, сила расщеплённого атома и мощь бурных рек пришла на помощь человечеству.

Особенно стремительно развиваются в различных регионах Земли в последние десятилетия такие альтернативные источники энергии, как ветровые станции и солнечные батареи.

Учитывая, что угасание Солнца ожидается лишь через 4-5 млрд. лет, такой источник энергии, как солнечные батареи можно считать неисчерпаемым. Поговорим о нём. Что это такое, откуда взялось и как устроено.

Изобретение

Инсолятор О. Мушо Первым, кто смог экспериментально обнаружить взаимодействие между светом и электрической энергией, был знаменитый немецкий физик Генрих Герц. Также известно, что явление, аналогичное открытому позднее фотоэффекту наблюдал и исследовал в 1839 г. Эдмон Беккерель.

Он сумел выяснить, что ультрафиолет значительно способствует возникновению и прохождению разряда между двумя проводниками электрической энергии. Однако, проведя ряд экспериментов, Герц не стал больше развивать эту тему.

Первую в мире, работоспособную схему по выработке и передаче электрической энергии с применением лучей света произвёл русский учёный из Москвы Александр Столетов. Он создал прообраз первого в мире фотоэлемента.

Француз Огюст Мушо в конце позапрошлого столетия сумел создать систему, при которой сфокусированные и преобразованные солнечные лучи приводили в движение печатную машину.

Развитие исследований по преобразованию солнечной энергии в электрическую в 20 веке ознаменовалось работой А. Эйнштейна по открытию фотоэффекта (явление отрывания заряженных частиц от поверхности некоторого вещества, находящегося под действием другого вещества или света).

Это привело к появлению первых фотоэлементов на основе селена (Se – 34), а затем и таллия (Tl – 81). В 1930 гг. учёными-физиками Академии наук СССР был создан медно-таллиевый (Cu-Tl) фотоэлемент с наибольшим для тех времён КПД в 1%.

Появившиеся позднее фотоэлементы на основе Кремния (Si-14) имели в 6 раз больший КПД. В 1953 г. была разработана первая в мире солнечная батарея. Спустя всего 5 лет учёные СССР установили первые солнечные батареи на искусственный спутник Земли №3.

Третий искусственный спутник Земли (СССР, 15 мая 1958 г.) с солнечными батареями. В 1970-х гг. прошлого века учёные выяснили, что полупроводники лучше многих металлов образуют электрический ток из света. С тех пор появилось множество новых видов и материалов для производства солнечных батарей.

Именно открытие фотоэффекта, произведённое А. Эйнштейном, и привело к возникновению и развитию индустрии солнечных батарей.

Как устроена

Система СБ Итак, солнечная батарея – система взаимосвязанных элементов, структура которых позволяет, используя принцип фотоэффекта, преобразовывать попадающий на них под определённым углом солнечный свет в электрический ток.

Система, преобразующая солнечный свет в электрическую энергию состоит из следующих комплектующих элементов:

  1. Материал-полупроводник (плотно совмещённые два слоя материалов с разной проводимостью). Это может быть, например, монокристаллический или поликристаллический кремний с добавлением других химических соединений, позволяющих получить нужные для возникновения фотоэффекта свойства.

Для возникновения перехода электронов из одного материала в другой необходимо, чтобы один из слоёв имел избыток электронов, а другой – их недостаток. Переход электронов в область с их недостатком называют p-n переходом.

  • Тончайший слой элемента, противостоящего переходу электронов (размещается между этими слоями).
  • Источник электропитания (если его подключить к противостоящему слою, электроны смогут легко преодолевать эту запорную зону). Так возникнет упорядоченное движение зараженных частиц, именуемое электрическим током.
  • Аккумулятор (накапливает и сохраняет энергию).
  • Контроллер заряда.
  • Инвертор-преобразователь (преобразование получаемого от солнечной батареи постоянного электрического тока в переменный ток).
  • Стабилизатор напряжения (предназначен для создания напряжения нужного диапазона в системе солнечной батареи).
  • Схема работы солнечной панели Фотоны света (солнечный свет), попадающие на поверхность полупроводника при столкновении с его поверхностью передают свою энергию электронам полупроводника. Выбитые вследствие удара из полупроводника электроны преодолевают защитный слой, имея дополнительную энергию.

    Таким образом, отрицательные электроны покидают p-проводник, переходя в проводник n, положительные – наоборот. Такому переходу способствуют существующие в проводниках на тот момент электрические поля, которые в последствие увеличивают силу и разность зарядов (до 0.5 В в небольшом проводнике).

    Намереваясь приобрести солнечную батарею или изготовить её, тщательно просчитайте:

    • стоимость такой батареи и необходимого оборудования;
    • необходимое вам количество электрической энергии;
    • количество необходимых вам батарей;
    • число солнечных дней в году в вашем регионе;
    • необходимую вам площадь для установки солнечных батарей.

    Сила тока

    Сила электрического тока в солнечном элементе зависит от таких факторов, как:

    • количество света, попавшего на поверхность элемента;
    • интенсивность излучения источника света;
    • площадь принимающего фотоны элемента;
    • угол падения света на принимающий элемент;
    • время эксплуатации элемента;
    • КПД системы (в настоящее время у самых передовых аналогов он составляет не более 24%. О КПД солнечных батарей Вы можете прочитать в этой статье.);
    • температура окружающего воздуха (чем выше она, тем больше у элемента сопротивление).

    Элементы для улучшения работы

    СБ на солнечном трекере Для организации более эффективной работы фотоэлементов в конструкции солнечной батареи используют диод Шоттки.

    Он представляет собой диод полупроводникового типа, который имеет меньше по сравнению с другими конструкциями падение напряжения при включении напрямую.

    Он работает на основе использования перехода p-n типа в среде “металл-проводник”. Сравнение с кремниевыми диодами показывает, что прямое напряжение снижается в среднем с 0,65 В до 0,35 В, что способствует росту КПД системы.

    Для более эффективного попадания солнечного света на поверхность батареи разработано и используется специальное устройство – солнечный трекер. Данное устройство предназначено для слежения за движением Солнца и поворота солнечной панели (батареи) таким образом, чтобы на её поверхность попадало как можно больше солнечных лучей (оптимизация угла падения лучей).

    Для более рационального соединения двух и более панелей солнечных батарей и получения нужного сопротивления в такой системе используются специальные сертифицированные коннекторы, например МС4 Т (male+female).

    Преимущества и недостатки

    Положительными чертами данного вида выработки энергии являются:

    • экологичность (не загрязняет окружающую среду);
    • долговечность (при бережном использовании фотоэлементы прослужат несколько десятков лет);
    • достаточно простой принцип работы.

    Минусами системы являются:

    • сложность сборки самой системы и наладки её работы;
    • низкий КПД (требуется очень большая площадь солнечных батарей для обеспечения нужд даже небольшой семьи. Для 3-4 чел, потребляющих 200 Кв в месяц, нужно 12-15 кв. метров батарей);
    • достаточно высокая стоимость и низкая окупаемость системы.

    Использование солнечной энергии в мире

    Комплекс солнечных батарей в Германии Многие государства всерьёз задумались о масштабном производстве и использовании солнечной энергии.

    Лидерами по производству энергии с помощью солнечных батарей являются США, Япония и Германия.

    Производство солнечной энергии получает своё развитие и в России.

    В настоящее время в РФ уже построено следующее количество установок по производству солнечной энергии:

    • Краснодарский край – 46 ед.;
    • Дагестан – 8 ед.;
    • Ставропольский край – 2 ед.;
    • Бурятия, Хабаровский край, Костромская область – по 1 ед.

    Бурное развитие данной отрасли во всем мире оставляет надежду на то, что в будущем этот неисчерпаемый источник экологичной энергии станет основным для населения планеты.

    Смотрите видео, в котором подробно рассказывается об устройстве и производстве солнечных панелей:

    Солнечные батареи принцип работы, подключение для частного дома

    Одним из преимуществ загородного коттеджа и дачного домика является возможность их последующей модификации, включая полную или частичную модернизацию централизованной сети электроснабжения. Для этого широко используются автономные системы, работающие на альтернативных источниках энергии. И больше всего привлекает людей солнечная энергия. Технология, которая изначально разрабатывалась для нужд космической промышленности, доступна сегодня и в гражданском строительстве.

    Эксперты в области мировой энергетики сходятся во мнении, что применение в быту стационарных электростанций, функционирующих на солнечных батареях, — самый «безболезненный» для экологии способ добычи природных ресурсов. Единственной проблемой, с которой сталкиваются владельцы частных домов, является выбор оптимальной конструкции и модели гелиосистемы с учетом экономической выгоды и прироста показателей КПД.

    В этой статье мы затронем принцип действия солнечных панелей, рассмотрим популярные способы монтажа гелиоустановок и расскажем о важных аспектах эксплуатации оборудования, которые помогут определиться с выбором конфигурации электростанции для бытового использования.

    Принцип работы «домашней» гелиосистемы

    Рабочими элементами солнечной батареи для частного дома выступают фотоэлектрические пластины. Они поглощают инфракрасное излучение от солнца и генерируют бесплатные природные экоресурсы в постоянный электрический ток.

    Чтобы фотопанели работали исправно и обеспечивали необходимую мощность, их соединяют между собой, чередуя параллельный и последовательный методы подключения. Постоянный электрический ток, в зависимости от конструкции, поступает на инвертор, где преобразуется в переменный ток 220 V, или временно «оседает» в аккумулирующих емкостях.

    Второй вариант более практичный, так как накопление электроэнергии «на запас» позволяет:

    • исключить резкие перепады напряжения в домашней сети;
    • рационально использовать полученные ресурсы;
    • автоматически или вручную регулировать интенсивность работы электростанции.

    При правильном монтаже КПД современных гелиосистем держится на уровне 35–40%. Модульные солнечные батареи для дома демонстрируют максимальные показатели эффективности в южных регионах России, где хорошая погода стоит больше 200 дней в году.

    При установке солнечных батарей для частного дома крайне важно учитывать не только район, но и географическую широту, поскольку ближе к полюсам излучение солнца менее интенсивно. Но даже в северных и восточных регионах использование альтернативной энергии позволит вам сэкономить на потреблении традиционно «домашних» ресурсов.

    Варианты фотоэлектрических элементов

    Как было сказано ранее, генерация электрического тока происходит в момент соприкосновения лучей солнца с поверхностью фотоэлементов. Воздействие инфракрасного излучения смещает электроны с их «родных» орбит, в результате чего создается направленное движение заряженных ионов. При грамотном монтаже одна солнечная панель площадью 10 кв. м способна вырабатывать порядка 1 кВт энергии. На мощность бытовых гелиосистем оказывают влияние характеристики фотоэлемента.

    1) Монокристаллический кремний

    Такие солнечные батареи для дома отличаются достаточно легким весом, компактными размерами, а также продолжительным сроком эксплуатации. Их очень удобно монтировать, вот только монокристаллические фотоэлементы требовательны к интенсивности солнечного излучения и направленности лучей. Даже небольшая облачность критична для солнечной батареи, поскольку практически всегда приводит к прекращению генерации электричества от солнца.

    Толщина панелей колеблется в пределах 200–300 мкм, а КПД при хорошей погоде и правильном расположении конструкции держится на уровне 17–19%. Недостаток — высокая стоимость для частных домов.

    2) Поликристаллический кремний

    В среднем срок эксплуатации составляет 15-20 лет, КПД – 14%. По электрическим характеристикам поликристаллические фотоэлементы уступают монокристаллу.

    Но благодаря тому, что кристаллы кремния направлены в разные стороны, пластины на солнечных батареях хорошо улавливают рассеянные световые пучки, а потому намного меньше «страдают» при отсутствии солнца.

    3) Тонкопленочные панели

    В данном случае используется светопоглощающая пленка, которая «впитывает» энергию солнца даже при пасмурной погоде. Вот только КПД у них держится на уровне 8–10%, но этот недостаток с лихвой компенсируется низкой стоимостью.

    Тонкопленочные фотоэлементы можно установить в любом удобном месте кровли или стены здания. Они не притягивают пыль и даже работают при неблагоприятных условиях окружающей среды, но при малой интенсивности солнечного излучения КПД снижается на 15%. Недостаток — требуется большая площадь для монтажа.

    Различают также фотоэлементы из аморфного кремния, которые представляют собой эконом-вариант для дачных домиков (КПД 7–8%), и панели из теллуида кадмия, изготовленные по пленочной технологии, — КПД в районе 9–11%.

    Схемы подключения солнечных батарей

    Выделяют несколько основных категорий фотоэлектрических систем энергоснабжения частного дома (ФСЭ), которые различаются между собой по техническим параметрам и функциональным характеристикам.

    К первой группе относят полностью автономные (закрытые) системы, которые не интегрированы в централизованную сеть электроснабжения. Солнечные генераторы функционируют в собственном контуре, а бытовые приборы подключены напрямую. Показатели КПД возрастают после установки аккумуляторных батарей и контроллера заряда.

    Вторую группу представляет система солнечных батарей открытого типа. По умолчанию аккумулирующие емкости в ней не предусмотрены. ФСЭ подключены к централизованной сети электроснабжения через инвертор. При допустимом значении потребляемой мощности работают только фотопанели, которые генерируют ток напрямую. Если нагрузка возрастает, потребление электричества производится из традиционных источников. Такие гелиосистемы стоят недорого, но и не отличаются высокой эффективностью.

    К третьей категории относят комбинированные ФСЭ, которые обладают характеристиками гелиосистем открытого и закрытого типа. Такие конструкции отличаются высокой стоимостью, поскольку их работа связана с использованием аккумуляторных батарей повышенной емкости и сетевых многофункциональных преобразователей.

    Обогрев дома при помощи солнечных панелей

    Для автономного отопления частного дома стандартные гелиосистемы применяют в основном на юге России, где тепловая энергия является первоосновным источником электричества. Владельцам дачных домов и небольших коттеджей целесообразнее приобретать для нагрева воды бытовой коллектор.

    Выбор конкретной схемы подключения напрямую зависит от условий эксплуатации оборудования и личных потребностей. Как показывает практика, использование солнечных батарей в зимний период дает возможность сэкономить на традиционных энергоносителях до 25% всех затрат, в зависимости от температуры окружающей среды.

    Стандартный комплект оборудования

    Чтобы обеспечить частный дом электроэнергией по «зеленым» тарифам, одних только солнечных панелей недостаточно. Базовая комплектация, помимо фотоэлементов, в обязательном порядке подразумевает применение вспомогательного оборудования:

    • аккумулирующие емкости;
    • сетевой инвертор;
    • контроллер заряда АКБ.

    Если вы решили самостоятельно сделать электростанцию, работающую от солнечных батарей, не выбирайте для накопления электроэнергии автомобильные аккумуляторы — их срок службы при интенсивной нагрузке составляет всего 2-3 года, поэтому такие «батарейки» придется регулярно менять.

    Гелиосистемы на основе вакуумного коллектора или солнечного модуля для нагрева воды дополнительно комплектуются насосом для постоянной циркуляции теплоносителя, водяным котлом емкостью до 1000 л и электрическими тэнами.

    Таким образом, солнечные энергоресурсы можно использовать для электроснабжения, горячего водоснабжения или отопления, включая систему «теплый пол». Чтобы подобрать наиболее подходящий вариант для автономного дома, надо предварительно рассчитать суммарную мощность потребления бытовых приборов, а также обязательно учесть уровень инсоляции, месторасположение и угол наклона фотопанелей, среднее количество солнечных дней в году.

    Способы монтажа бытовых гелиоустановок

    В установке солнечных батарей нет ничего сложного. Самое главное — грамотно разместить модули. При монтаже важно придерживаться определенного угла наклона, который должен соответствовать географической широте местности. В процессе установки нужно также соблюдать азимут. Для северо-восточных он составляет 180 градусов.

    Зимой КПД электростанции с солнечными батареями может упасть до минимальных значений, поскольку обильные снегопады будут препятствовать попаданию лучей солнца на наружную поверхность фотоэлектрических элементов. Поэтому при монтаже важно учесть, что на крыше потребуется свободное место для очистки конструкции от налипшего снега и грязи. Впрочем, этих хлопот можно избежать, если зафиксировать солнечные панели на поверхности южной стены под углом 60–80 градусов. На практике для коттеджей применяют разные варианты расположения фотоэлектрических модулей:

    1. кровля — дополнительно потребуется установка надежной опорной конструкции из металлопрофилей или направляющих рельс;
    2. стены — в данном случае на фасад здания монтируется рамная система для удержания фотопанелей «на весу»;
    3. приусадебная территория — альтернативный вариант расположения батарей, когда кровля дома сильно затенена или не рассчитана на дополнительную нагрузку.

    Свободное размещение имеет множество преимуществ, но требует наличия достаточного пространства на приусадебном участке. Чтобы автоматизировать процесс наклона и движения фотоэлектрических панелей по ходу солнца, дополнительно рекомендуется использовать специальные шарнирные конструкции с электроприводом.

    Окупаемость и срок эксплуатации

    Применение солнечных батарей позволит сэкономить на освещении и отоплении, независимо от времени года. Самые большие показатели энгергоэффективности гелиосистемы демонстрируют в южных широтах, где количество солнечных дней преобладает. Это и неудивительно, так как обязательным условием высокопродуктивной работы электростанции является стабильное поступление инфракрасного излучения и видимого света на поверхность фотоэлектрических элементов.

    По статистике, солнечные батареи для частного дома мощностью 4–5 кВт при постоянном использовании окупают себя за 8–10 лет, после чего работают впрок. При этом срок эксплуатации составляет в среднем 20-25 лет, а вот аккумуляторные батареи придется менять через каждые 5-6 лет. Многим такие сроки окупаемости покажутся большими, но в действительности оно того стоит, учитывая, что в скором времени ископаемых ресурсов на планете практически не останется, а стоимость одного киловатта электроэнергии возрастет в разы.

    Солнечная батарея – принцип работы

    Дорого отапливать дом газом? Или у вас на даче постоянно отключают свет? А может быть вы устали переплачивать за электроэнергию? Вам поможет установка солнечной батареи, которая обеспечит вас не только электричеством, но и отоплением. В этой статье мы рассмотрим принцип работы солнечной батареи, и ее отличия от солнечного коллектора.

    Содержание:

    В чем суть работы солнечной батареи?

    Солнечная батарея, она же фотобатарея, представляет собой фотопластину, изменяющую под воздействием солнечных лучей проводимость в отдельных своих участках.

    Это позволяет преобразовать энергию этих переходов в электрическую, которая либо используется сразу, либо накапливается.
    Для того, чтобы понять принцип работы солнечной батареи, необходимо знать несколько моментов:


    1. Солнечная батарея представляет собой систему фотоэлектрических преобразователей, которые соединены друг с другом в заданной последовательности.
    2. В структуру фотопреобразователей входит два слоя, отличающихся между собой типом проводимости: n и p.
    3. Основой для изготовления фотопреобразователей служит кремний.
    4. В слое n-типа к кремнию добавлен фосфор; в результате их взаимодействия образуется избыток отрицательно заряженных электронов.
    5. В слое р-типа к кремнию добавлен бор, в результате чего образуются так называемые «дыры», которые вызваны дефицитом в слое отрицательных зарядов.
    6. Оба слоя размещаются между разнозаряженными электродами

    Итак, как же работает солнечная батарея?

    На отрицательно заряженную панель падает солнечный свет. Он вызывает активное образование дополнительных отрицательных зарядов и «дырок». Под воздействием электрического поля, которое присутствует в p-n переходе, происходит разделение положительно и отрицательно заряженных частиц. Первые направляются в верхний слой, а вторые в нижний. Таким образом, появляется разность потенциалов, иными словами, постоянное напряжение (U). Исходя из этого видно, что один фотопреобразователь работает по принципу батарейки. И в случае, когда к нему подсоединяется нагрузка, в цепи возникает ток. Сила тока будет зависеть от таких параметров, как:

    • уровень инсоляции;
    • размер фотопреобразователя;
    • тип фотоэлемента;
    • общего сопротивления приборов, подключенных к солнечной батарее.

    Типы солнечных батарей

    Выделяют несколько типов солнечных батарей: поли- и монокристаллические, а также аморфные.
    Монокристаллические являются наименее продуктивными, но при этом самыми недорогими. В связи с этим их использование оправдано в качестве дополнительных источник энергии на случай отключения централизованной подачи электроэнергии.
    Поликристаллы занимают промежуточные позиции по этим двум параметрам, в связи с чем могут быть использованы в отдаленных районах, лишенных централизованной подачи электроэнергии.

    Аморфные солнечные батареи отличаются высокой эффективностью, однако и очень высокой стоимостью. В их основу входит аморфный кремний.

    Данные разработки еще не вышли на промышленный уровень и находятся на экспериментальной стадии.

    Зачем нужен контроллер в солнечной батарее?

    Солнечные батареи, принцип работы которых был описан выше, не смогли бы эффективно заменить системы центральной подачи электроэнергии, если бы не были оснащены контроллерами, способными контролировать степень заряда солнечной батареи.

    Контролеры позволяют перераспределять энергию, полученную от солнечных батарей, направляя ее при необходимости напрямую к источнику потребления, либо сохраняя ее в аккумуляторе.
    Выделяют несколько типов контроллеров солнечных батарей, отличающихся между собой степенью увеличения общей эффективности системы солнечных батарей.

    Садовые фонари на солнечных батареях

    Для того, чтобы приобщиться к использованию альтернативных источников энергии, вовсе не обязательно приобретать дорогостоящую солнечную батарею. Есть более доступные примеры использования солнечной энергии для получения электрической. Речь идет о популярных в настоящее время садовых фонарях на солнечных батареях.

    Такие фонарики позволяют освещать приусадебный участок в темное время суток, не затрачивая на это дополнительную электроэнергию.

    Принцип работы таких фонарей заключается в том, что посредством фитопластины, вмонтированной в верхнюю часть фонарика, происходит улавливание и преобразование солнечной энергии, которая аккумулируется в небольшой батарее, расположенной в основании фонарика. Расход накопившейся энергии происходит в темное время суток.

    Солнечная батарея

    Солнечная батарея — объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.

    Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Ήλιος , Helios — Солнце). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается в разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.

    Содержание

    История [ править | править код ]

    В 1842 году Александр Эдмон Беккерель открыл эффект преобразования света в электричество. Чарльз Фриттс (англ. Charles Fritts ) начал использовать селен для превращения света в электричество. Первые прототипы солнечных батарей были созданы итальянским фотохимиком Джакомо Луиджи Чамичаном.

    25 марта 1948 года, специалисты компании Bell Laboratories заявили о создании первых солнечных батарей на основе кремния для получения электрического тока. Это открытие было произведено тремя сотрудниками компании — Кельвином Соулзером Фуллером (Calvin Souther Fuller), Дэрилом Чапин (Daryl Chapin) и Геральдом Пирсоном (Gerald Pearson). Уже через 4 года, 17 марта 1958 года, в США был запущен спутник с использованием солнечных батарей — «Авангард-1». 15 мая 1958 года в СССР также был запущен спутник с использованием солнечных батарей — «Спутник-3».

    Использование [ править | править код ]

    Портативная электроника [ править | править код ]

    Для обеспечения электричеством и/или подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники — калькуляторов, плееров, фонариков и т. п.

    Электромобили [ править | править код ]

    Авиация [ править | править код ]

    Одним из проектов по созданию самолёта, использующего исключительно энергию солнца, является Solar Impulse.

    Энергообеспечение зданий [ править | править код ]

    Солнечные батареи крупного размера, как и солнечные коллекторы, широко используются в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крышах домов.

    Новые дома Испании с марта 2007 года оборудованы солнечными водонагревателями, чтобы самостоятельно обеспечивать от 30 % до 70 % потребностей в горячей воде, в зависимости от места расположения дома и ожидаемого потребления воды. Нежилые здания (торговые центры, госпитали и т. д.) должны иметь фотоэлектрическое оборудование [1] .

    В настоящее время переход на солнечные батареи вызывает много критики среди людей. Это обусловлено повышением цен на электроэнергию, загромождением природного ландшафта. Противники перехода на солнечные батареи критикуют такой переход, так как владельцы домов и земельных участков, на которых установлены солнечные батареи и ветровые электростанции, получают субсидии от государства, а обычные квартиросъемщики — нет. В связи с этим Федеральное министерство экономики Германии разработало законопроект который позволит в ближайшем будущем ввести льготы для арендаторов, проживающих в домах, которые обеспечиваются энергией, поступающей от фотовольтаических установок или блочных тепловых электростанций. Наряду с выплатой субсидий владельцам домов, которые используют альтернативные источники энергии, планируется выплачивать дотации проживающим в этих домах квартиросъемщикам. [2]

    Энергообеспечение населённых пунктов [ править | править код ]

    Дорожное покрытие [ править | править код ]

    • В 2014 году в Нидерландах открылась первая в мире велодорожка из солнечных батарей.
    • В 2020 году министр экологии и энергетики Франции Сеголен Руаяль заявила о планах построить 1000 км автодорог со встроенными ударо- и термостойкими солнечными панелями. Предполагается, что 1 км такой дороги сможет обеспечивать электроэнергетические потребности 5000 людей (без учёта отопления) [3] [неавторитетный источник?] .
    • В феврале 2020 года в нормандской деревне Tourouvre-au-Perche французским правительством была открыта дорога из солнечных батарей. Километровый участок дороги оборудован 2880 солнечными панелями. Такое дорожное покрытие обеспечит электроэнергией уличные фонари деревни. Панели каждый год будут вырабатывать 280 мегаватт час электроэнергии. Строительство отрезка дороги обошлось в 5 миллионов евро. [4]

    Использование в космосе [ править | править код ]

    Солнечные батареи — один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии.

    Однако при полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой Марса) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к Венере и Меркурию, напротив, мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районе Меркурия в 6 раз).

    Использование в медицине [ править | править код ]

    Южнокорейские ученые разработали подкожную солнечную батарею. Миниатюрный источник энергии может быть вживлен под кожу человека с целью бесперебойного обеспечения работы приборов, имплантированных в тело, например, кардиостимулятора. Такая батарея в 15 раз тоньше волоса и может заряжаться, если даже на кожу наносится солнцезащитное средство [5] .

    Эффективность фотоэлементов и модулей [ править | править код ]

    Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу Земли (AM0), составляет около 1366 ватт [6] на квадратный метр (см. также AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D [7] [8] ). В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может [9] быть менее 100 Вт/м² [ источник не указан 1493 дня ] . С помощью распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9—24 % [ источник не указан 1493 дня ] . При этом цена батареи составит около 1—3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВт·ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт·ч для установок в жилых зданиях [10] [ неавторитетный источник? ] .

    Фотоэлементы и модули делятся в зависимости от типа и бывают: монокристалические, поликристалические, аморфные (гибкие, пленочные). [11]

    В 2009 году компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 % [12] . В январе 2011 года ожидалось поступление на рынок солнечных элементов этой фирмы с эффективностью 39 % [13] . В 2011 году калифорнийская компания Solar Junction добилась КПД фотоэлемента размером 5,5×5,5 мм в 43,5 %, что на 1,2 % превысило предыдущий рекорд [14] .

    В 2012 году компания Morgan Solar создала систему Sun Simba из полиметилметакрилата (оргстекла), германия и арсенида галлия, объединив концентратор с панелью, на которой установлен фотоэлемент. КПД системы при неподвижном положении панели составил 26—30 % (в зависимости от времени года и угла, под которым находится Солнце), в два раза превысив практический КПД фотоэлементов на основе кристаллического кремния [15] .

    В 2013 году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4×4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4 % [16] , а группа специалистов из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, компаний Soitec, CEA-Leti и Берлинского центра имени Гельмгольца создали использующий линзы Френеля фотоэлемент с КПД 44,7 %, превзойдя своё собственное достижение в 43,6 % [17] [ неавторитетный источник? ] . В 2014 году Институт солнечных энергосистем Фраунгофер создали солнечные батареи, в которых благодаря фокусировке линзой света на очень маленьком фотоэлементе КПД составил 46 % [18] [ неавторитетный источник? ] [19] .

    В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца [20] .

    Перспективным направлением является создание фотоэлементов на основе наноантенн, работающих на непосредственном выпрямлении токов, наводимых в антенне малых размеров (порядка 200—300 нм) светом (то есть электромагнитным излучением частоты порядка 500 ТГц). Наноантенны не требуют дорогого сырья для производства и имеют потенциальный КПД до 85 % [21] [22] .

    Также, в 2020 году, с открытием флексо-фотовольтаического эффекта, обнаружена возможность увеличения КПД фотоэлементов [23] ., а также за счёт продления жизни горячих носителей (электронов) теоретический предел их эффективности поднялся с 34 сразу до 66 процентов [24] .

    В 2020 году российские учёные из Сколковского института науки и технологий (Сколтеха), Института неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) и Института проблем химической физики РАН получили принципиально новый полупроводниковый материал для солнечных батарей, лишённый большинства недостатков материалов, применяемых сегодня [25] . Группа российских исследователей опубликовала в журнале Journal of Materials Chemistry A [en] [26] результаты работы по применению для солнечных батарей нового разработанного ими полупроводникового материала — комплексного полимерного йодида висмута (<[Bi3I10]> и <[BiI4]>), структурно подобного минералу перовкситу (природному титанату кальция), который показал рекордный коэффициент преобразования света в электроэнергию. [26] [27] Та же группа учёных создала второй аналогичный полупроводник на основе комплексного бромида сурьмы с перовкситоподобной структурой. [28] [29]

    Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей,
    достигнутые в лабораторных условиях [30] [ неавторитетный источник? ]

    Тип Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %
    Кремниевые 24,7
    Si (кристаллический)
    Si (поликристаллический)
    Si (тонкопленочная передача)
    Si (тонкопленочный субмодуль) 10,4
    III-V
    GaAs (кристаллический) 25,1
    GaAs (тонкопленочный) 24,5
    GaAs (поликристаллический) 18,2
    InP (кристаллический) 21,9
    Тонкие плёнки халькогенидов
    CIGS (фотоэлемент) 19,9
    CIGS (субмодуль) 16,6
    CdTe (фотоэлемент) 16,5
    Аморфный/Нанокристаллический кремний
    Si (аморфный) 9,5
    Si (нанокристаллический) 10,1
    Фотохимические
    На базе органических красителей 10,4
    На базе органических красителей (субмодуль) 7,9
    Органические
    Органический полимер 5,15
    Многослойные
    GaInP/GaAs/Ge 32,0
    GaInP/GaAs 30,3
    GaAs/CIS (тонкопленочный) 25,8
    a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль) 11,7

    Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов [ править | править код ]

    Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры.

    Частичное затемнение панели вызывает падение выходного напряжения за счёт потерь в неосвещённом элементе, который начинает выступать в роли паразитной нагрузки. От данного недостатка можно избавиться путём установки байпаса на каждый фотоэлемент панели. В облачную погоду при отсутствии прямых солнечных лучей крайне неэффективными становятся панели, в которых используются линзы для концентрирования излучения, так как исчезает эффект линзы.

    Из рабочей характеристики фотоэлектрической панели видно, что для достижения наибольшей эффективности требуется правильный подбор сопротивления нагрузки. Для этого фотоэлектрические панели не подключают напрямую к нагрузке, а используют контроллер управления фотоэлектрическими системами, обеспечивающий оптимальный режим работы панелей.

    Недостатки солнечной электроэнергетики [ править | править код ]

    • Необходимость использования больших площадей;
    • Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в вечерних сумерках, в то время как пик электропотребления приходится именно на вечерние часы;
    • Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д. [31]

    Cолнечные электростанции подвергаются критике из-за высоких издержек, а также низкой стабильности комплексных галогенидов свинца и токсичности этих соединений. В настоящее время ведутся активные разработки бессвинцовых полупроводников для солнечных батарей, например на основе висмута [26] и сурьмы.

    Из-за своей низкой эффективности, которая в лучшем случае достигает 20 процентов, солнечные батареи сильно нагреваются. Остальные 80 процентов энергии солнечного света нагревают солнечные батареи до средней температуры около 55 °C. С увеличением температуры фотогальванического элемента на 1°, его эффективность падает на 0,5 %. Эта зависимость нелинейна и повышение температуры элемента на 10° приводит к снижению эффективности почти в два раза. Активные элементы систем охлаждения (вентиляторы или насосы) перекачивающие хладагент, потребляют значительное количество энергии, требуют периодического обслуживания и снижают надёжность всей системы. Пассивные системы охлаждения обладают очень низкой производительностью и не могут справиться с задачей охлаждения солнечных батарей [32] .

    Производство солнечных модулей [ править | править код ]

    Очень часто одиночные фотоэлементы не вырабатывают достаточной мощности. Поэтому определённое количество фотоэлементов соединяется в так называемые фотоэлектрические солнечные модули и между стеклянными пластинами монтируется укрепление. Эта сборка может быть полностью автоматизирована [33] .

    Пятерка крупнейших производителей [ править | править код ]

    Крупнейшие производители фотоэлектрических элементов (по суммарной мощности) в 2020 году. [34]

    Как работает солнечная батарея? Виды и устройство.

    Поверхность земли постоянно освещается солнечным светом, это обеспечивает жизнь всем живым существам. Еще совсем недавно применение солнечной батареи казалось невозможным, но на сегодняшний день каждый желающий имеет возможность приобрести данное устройство. Особенно актуален вопрос среди дачников, желающих при наименьших денежных затратах пользоваться электричеством. Солнечные батареи активно используются в промышленных масштабах, ведь солнечные электростанции современного типа способны получать количество электроэнергии, необходимое для малых городов. Немаловажным является отсутствие вреда для экологии при использовании солнечных батарей. Солнечные батареи активно используются в странах Европы, Израиле.

    В статье описаны виды солнечных батарей, их устройство, принцип работы солнечной электростанции. Так как же работает солнечная батарея? — Давайте узнаем.

    Виды солнечных панелей

    Солнечная батарея в общем виде – конструкция, содержащая темные детали с полосами из металла, проводящими электрический ток. Детали покрыты стеклом. Существующее множество солнечных батарей показано на рисунке.

    — По мощности До 10 Вт
    — От 200 Вт

    По виду фотоэлементов

    — Фотохимические
    — Органического вида
    — Основа — полупроводники из кремния
    — Основа — арсенид галлия

    — Гибкие (могут удобно сворачиваться, имеют популярность среди туристов).

    Фото солнечной батареи, способной скручиваться в рулон

    Портативная солнечная батарея

    Устройство солнечной батареи

    Составные элементы солнечной батареи:

    1. Два слоя кремния (между собой образуют пластину, внутренний слой – кремний на монокристаллической основе, обладает проводимостью р-типа, наружный слой – кремний, содержащий различные примеси, данный слой имеет проводимость n-типа).
    2. Каркас с фотоэлементами (детали расположены таким образом, чтобы в случае поломки их можно было починить).
    3. Аккумуляторы (один является основным, второй – запасным).
    4. Пластик закаленного вида, покрывающий всю конструкцию от повреждений.

    Принцип работы солнечной батареи заключается в следующем: электроны выходят из р-слоя, затем попадают в n-слой, предварительно пройдя определенную нагрузку. N-слой выступает источником избыточных электронов.

    Аккумуляторы солнечных батарей работают следующим образом: основной собирает электрическую энергия для последующей транспортировки в сеть, другой аккумулятор работает в запасном режиме (накапливает энергию сверх нормы, а затем, при снижении напряжения, энергия поступает в сеть).

    Детали солнечной батареи важно беречь от метеорной пыли и радиации, данные элементы способствуют появлению эрозии на кремниевых слоях.

    Солнечная энергия как альтернативный источник энергии зарекомендовала себя с положительной стороны и применяется во многих сферах жизни человека.

    Виды кристаллов фотоэлементов

    Вид и Характерные особенности

    Поликристаллы → Отличительная особенность – синий цвет, КПД — 14%.

    Монокристаллы → Эффективность — 16%.

    Основа – аморфный кремний → Производительность – 6-8%.

    Основа — теллурид кадмия → Эффективность — 11%.

    Основа — полупроводнике CIGS → Значение эффективности — 25%.

    От вида кристаллов фотоэлемента зависит, как работает солнечная панель. Панели на основе монокристаллов обладают высокой эффективностью, цена конструкций высокая. К низкой ценовой категории относятся солнечные батареи на основе аморфного кремния, однако максимальная производительность таких конструкций всего 8 %. Работа солнечной панели на базе аморфного кремния не является продолжительной.

    Принцип работы солнечной батареи

    Принцип работы солнечной батареи заключается в следующем:

    1. Происходит падение солнечных лучей на специальный фотоэлемент.
    2. В фотоэлементе создаются пары электронно-дырочного типа.
    3. Электроны сверх нормы переносятся из одного слоя полупроводника в другой, в результате данного процесса во внешней среде образуется напряжение.

    Работу солнечной батареи можно сравнить с колесом, по которому передвигаются электроны. Аккумуляторы при таком движении постепенно накапливают заряд.

    В жару менее продуктивно работает фотогальваническая составляющая солнечной батареи. Максимальную отдачу конструкции демонстрируют при ясной зимней погоде. Следует подчеркнуть, что падение снега не влияет на работу батареи, она все равно продолжает нормально функционировать.

    Солнечную энергию можно преобразовывать не только в электрическую, но и в тепловую. В данном процессе происходит не преобразование, а накапливание энергии. В этом и заключается принцип работы солнечного коллектора: устройство собирает тепло и передает его в теплоноситель. Данная конструкция применяется при отоплении домов.

    Солнечная панель включает в себя ряд фотоэлементов, создающих разность потенциалов под воздействием освещения. Если целью является увеличение напряжения, то нужно соединять фотоэлементы последовательным методом, в случае необходимости увеличения силы тока требуется соединить элементы параллельно.

    Принцип работы фотоэлемента позволяет наглядно представить, как устроена солнечная панель.

    Алгоритм преобразования энергии солнца в электрическую энергию:

    • воздействие светом на полупроводники (фотоэлементы – два слоя полупроводника, имеющих различную проводимость, n-проводимость, p-проводимость);
    • создание разности потенциалов;
    • замыкание цепи;
    • получение электрической энергии.

    Рассмотрев, из чего состоит солнечная батарея, можно сделать вывод о несложной конструкции с относительно невысокими денежными затратами.

    Преимущества и недостатки

    К достоинствам солнечных батарей можно отнести:

    • доступность для промышленных целей и частных лиц;
    • постоянное существование источника энергии;
    • легкость в обслуживании;
    • безопасность в использовании;
    • достаточно длительный срок эксплуатации конструкций.

    Вырабатываемая солнцем энергия является альтернативной перспективой будущего по замене существующих электрических источников.

    Недостатки солнечной энергии:

    • малая эффективность недорогих конструкций;
    • зависимость от погодных условий;
    • постоянная уборка отражающей поверхности;
    • дороговизна мощных установок.

    Солнечная энергия является самой перспективной среди других видов энергии за счет следующих факторов:

    • отсутствие вреда для экологии;
    • постоянно возобновляемый источник.

    Для снижения цены на солнечные батареи важно увеличить мощность потока солнечной энергии, попадающей на фотоэлемент.

    Для достижения данной цели ученые разработали специальные конструкции:

    • трекер (помощник в поиске энергии);
    • концентратор необходимой энергии (с большой площади отправляет энергию на небольшой участок, приспособление имеет малый вес).

    Применение вышеперечисленных деталей позволит солнечным панелям стать главным источником энергии при наименьших денежных затратах и отсутствием вреда для экологии.

    На видео: Как работает солнечная батарея?

    Солнечная батарея: устройство и принцип работы

    Совсем недавно, когда мы ещё ходили в школу, солнечная батарея для выработки электричества казалась чем-то фантастическим. Нам казалось, что их можно использовать только на космических кораблях. Но прошло 20─25 лет и солнечные батарейки не только появились в часах и калькуляторах, но и уже способны обеспечивать электроэнергией частные дома и дачи. А современные солнечные электростанции могут обеспечивать электроэнергией небольшие городки. Широкое распространение солнечные батареи получили европейских странах, США, Израиле и других регионах с высокой солнечной инсоляцией. И их использование уже даёт существенную экономию электроэнергии и горячего водоснабжения.

    Что потребуется для преобразования солнечной энергии?

    Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую и электрическую. Самые первые шаги в использовании энергии солнца человек сделал именно в направлении получения тепла. Можно сказать, что в этом случае и преобразования нет. Принцип работы прост. Он заключается в сборе солнечного тепла. Поэтому и устройства для этого называются солнечные коллекторы. Принцип работы таких установок заключается в сборе тепла с помощью абсорбера и передачи его теплоносителю. В качестве последнего выступает вода или воздух. Такие установки часто используются для отопления и горячего водоснабжения частных домов. Второй вариант использования солнечной энергии – это преобразование её в электричество.

    В этом материале речь у нас пойдёт о получении электричества с помощью солнечных батарей. Для этого используются фотоэлектрические элементы. Это полупроводники на основе кремния, которые вырабатывают постоянный электрический ток под действием света. В качестве материала для фотоэлементов используются соединения кремния с кадмием, медью, индием. Кроме того, они могут отличаться технологией изготовления.

    • Монокристаллические;
    • Поликристаллические;
    • Аморфные.

    Фотоэлектрические панели из монокристаллов кремния считаются наиболее эффективными и имеющими высокий КПД. Фотоэлементы из поликристаллического кремния стоят дешевле и имеют самую низкую стоимость получения ватта электроэнергии. Есть также фотоэлектрические элементы на базе аморфного кремния. Из них делают гибкие солнечные панели. Выпускаются они из аморфного кремния. Производство таких элементов проще, чем моно и поликристаллов. В результате цена ниже, но КПД оставляют желать лучшего (5─6%). Кроме того, панели из аморфного кремния имеют меньший срок службы, чем предыдущие два типа. Чтобы увеличить эффективность работы элементов, в кремний добавляют медь, селена, галлий, индий.

    Фотоэлементы в солнечной батарее

    • Аккумулятор (один или несколько);
    • Инвертор (преобразует напряжение из 12 или 24 в 220 вольт);
    • Контроллер для управления зарядом-разрядом аккумулятора и подачи питания в сеть.

    По назначению можно выделить две большие группы устройств. Солнечные батареи малой мощности (до десяти ватт) применяются в мобильных гаджетах или power bank для зарядки. Системы больше мощности используются для электрификации частных домов и дач. Они обычно располагаются на крышах и фасадах домов, реже на участках рядом с домом. Есть устройства, которые позволяют отслеживать солнце и менять угол наклона в зависимости от его положения. Теперь посмотрим, как работает солнечная батарея и от чего зависит эффективность её работы.

    Принцип работы солнечной батареи

    Как работает солнечная батарея?

    Солнечная энергия преобразуется в последовательно подключённых фотоэлементах. Рассмотрим принцип работы солнечной батареи на уровне фотоэлектрических элементов. Основой фотоэлемента является кристалл кремния. Соединения кремния очень распространены в природе. Самый известный – это оксид кремния или песок. Кристалл кремния можно упрощенно назвать большой песчинкой. Кристаллы выращиваются искусственно в лабораторных условиях. Обычно их получают кубической формы, а затем на пластины. Толщина этих пластин всего 200 микрон. Это в 3─4 раза толще волоса человека.

    Принцип работы фотоэлемента

    На полученные пластины кремния нанесён с одной стороны слой бора, а с другой ─ фосфора. В местах контакта кремниевой пластины с бором имеется избыток электронов. На другой стороне по границе кремниевой пластины с фосфором недостаёт электронов. Там образуются «дырки», как их принято называть. Такую стыковку границ с избыточным количеством электроном и их недостатком называют p-n переходом.

    При попадании солнечного света на фотоэлементы батареи их поверхность бомбардируется фотонами. Они выбивают избыточные электроны на границе с фосфором, и они начинают движение к «дыркам» на границе с бором. Таким образом, возникает электрический ток, являющийся упорядоченным движением электронов. К фотоэлементу подводятся металлические дорожки, через которые и собирается ток. В этом и выражается принцип работы кремниевого фотоэлемента.

    Сегодня солнечные батареи устанавливаются в своих домах и на дачах для экономии электроэнергии. Такие миниатюрные гелиосистемы работают круглый год. Главное, чтобы поверхность панелей была чистой и светило солнце. В ряде случаев их эффективность выше в морозный солнечный день, чем в летний. Это объясняется тем, что разогрев солнечных модулей несколько снижает эффективность их работы.

    Гелиосистема: солнечные батареи и коллекторы

    Сразу стоит отметить, что полностью отказаться от электричества из централизованных сетей не получиться. Но, установив солнечную батарею, удастся значительно экономить на коммунальных расходах. Вариант, конечно, не годиться для квартиры. Нормально эксплуатировать такую систему получиться только в загородном доме или на даче, где достаточно места для установки солнечных панелей.

    В центральных регионах России гелиосистема окупается примерно за 5 лет. В южных регионах срок окупаемости значительно сокращается. Часто вместе с солнечными батареями устанавливаются коллекторы для отопления дома. Сейчас есть фабричные солнечные коллекторы, которые могут подогревать воду круглый год.

    • Устанавливать панели нужно на южной стороне крыши, фасада или на участке стороной на юг;
    • Угол наклона соответствует значению широты вашего региона;
    • Рядом не должно быть объектов, отбрасывающих тень на солнечные батареи;
    • Поверхность панелей нужно регулярно очищать от грязи и пыли;
    • Желательно использовать системы с отслеживанием положения солнца.

    Теперь вам ясен принцип работы солнечных батарей и их возможности. Понятно, что не следует отказываться от централизованного снабжения электроэнергией. Современные гелиосистемы пока не в состоянии полноценно обеспечивать дом энергией в пасмурную погоду. Но как часть комбинированной системы энергоснабжения дома они очень уместны.

    Как устроены и работают солнечные батареи

    Солнечная энергетика становится все более популярной во всем мире. Вместе с коллегами из специализированного портала Elektrik мы разбирались, как устроена солнечная батарея, из чего она состоит и куда отправляется получаемая энергия.

    В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях (в научной литературе они называются фотоэлектрическими панелями).

    Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи – это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании.

    В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: непосредственно, солнечной батареи (генератора постоянного тока), аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.

    Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.

    Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей.

    Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые – 15%.

    Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею.

    Электродвижущая сила отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока.

    Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую либо нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки. Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением Pн = IнUн, где Uн напряжение на зажимах батареи.

    Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему коэффициенту полезного действия (кпд) преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности.

    Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток.

    Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит в выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи.

    Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а электродвижущая сила — последовательно включенных солнечных элементов. Так, комбинируя типы соединения, собирают батарею с требуемыми параметрами.

    Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает.

    Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи.

    При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов они шунтируются и ток через них не идет.

    Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

    Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока.

    Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.

    При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда.

    Это процесс контролируется специальным контроллером. При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда.

    При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.

    Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов – гелевых (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовыех батарей, которые сделанны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей – 10 — 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается!

    Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность.

    Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечной батарей можно использовать специальные устройства – инверторы.

    Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.

    Солнечные батареи. Виды и устройство. Работа и применение

    В последнее время активно развиваются технологии получения альтернативной энергии. Это солнечные батареи (СБ), ветровые станции и ряд иных устройств. Особенно перспективными считаются СБ или так называемые фотоэлектрические панели, ведь с учетом почти вечной жизни солнца такая энергия является неисчерпаемой. Несмотря на их пока что сравнительно высокую стоимость, они обеспечивают получение бесплатной и экологически чистой энергии. Тем не менее, цены на СБ год из года снижаются, что свидетельствует о больших перспективах их повсеместного внедрения.

    Устройство солнечных батарей

    Солнечная батарея представляет систему полупроводниковых устройств в виде фотоэлектрических преобразователей, которые преобразуют энергию солнца в постоянный электрический ток с применением принципа фотоэффекта.

    1 — Контроллер
    2 — Батарея
    3 — Инвертор
    4 — Модуль
    5 — Электрооборудование

    Солнечная батарея включает в себя следующие элементы:
    • Материал-полупроводник, состоящий из двух слоев материалов с различной проводимостью. К примеру, это может быть поликристаллический или монокристаллический кремний с включением иных химических соединений для создания принципа фотоэффекта p-n перехода. То есть, один материал имеет недостаток электронов, а другой – их избыток.
    • Диэлектрик, тончайший слой элемента, который противостоит переходу электронов.
    • Источник электропитания. При его подключении к противостоящему слою, запорная зона легко преодолевается электронами. В результате появляется упорядоченное движение зараженных частиц, то есть электрический ток.
    • Аккумулятор. Обеспечивает накопление и сохранение энергии.
    • Штатный контроллер заряда.
    • Инвертор-преобразователь. Производит преобразование постоянного тока, идущего от солнечной батареи, в переменный.
    • Стабилизатор напряжения. Обеспечивает в системе солнечной батареи создание напряжения необходимого диапазона.
    Принцип действия
    • Солнечный свет в виде фотонов света попадает на поверхность солнечной батареи.
    • При столкновении с поверхностью полупроводника фотоны передают энергию электронам полупроводника.
    • Электроны, выбитые из полупроводника вследствие удара, преодолевают защитный слой, имея при себе дополнительную энергию.
    • В результате отрицательные электроны переходят в проводник n из p-проводника, а положительные совершают обратный маневр. Подобному переходу способствуют электрические поля, которые на данный момент имеются в проводниках. Впоследствии они увеличивают разность и силу зарядов.

    Если батарея, освещенная солнцем, замкнута на определенную нагрузку с сопротивлением R, то наблюдается появление электрического тока I. Его величина определяется сопротивлением нагрузки, интенсивностью освещения и качеством фотоэлектрического преобразователя. Мощность P, выделяемая в нагрузке определяется формулой P= I*U, где U показывает напряжение на зажимах батареи.

    Виды

    В зависимости от применяемых материалов солнечные батареи могут быть:
    • Панели из монокристаллических фотоэлектрических элементов. Они эффективны, однако более дороги, КПД составляет 14-16%. У монокристаллических элементов многоугольная форма, вследствие чего всю площадь заполнить трудно;
    • Панели из аморфного кремния. Такие батареи демонстрируют низкий КПД в пределах 6-8%. Но среди кремниевых технологий преобразователей у них наиболее дешевая электроэнергия;

    • Панели из теллурида кадмия выполняются на базе пленочной технологии. Нанесение полупроводникового слоя осуществляется слоем в несколько сотен микрометров. КПД составляет 11%, но в сравнении с кремниевыми батареями ватт мощности обходится дешевле на десятки процентов;
    • Панели на базе полупроводников CIGS, которые состоят из селена, галлия, индия и меди. КПД таких панелей доходит до 15%;
    • Полимерные панели. Это разновидность тонкопленочных батарей, принцип работы которых напоминает фотосинтез растений. Включает слой полимера, защитный слой, гибкую подложку и алюминиевые электроды. КПД 5-6%;
    • Наиболее распространенными вследствие оптимального соотношения КПД и цены являются панели из поликристаллических фотоэлектрических элементов. Их КПД достигает 12-14%.
    СБ также можно условно разбить на следующие типы:
    • Тонкопленочные или гибкие (на базе теллурида кадмия, кристаллические и аморфные);
    • Жесткие (из кристаллического кремния, иногда аморфного);
    • Односторонние (поглощают свет одной стороной);
    • Двухсторонние (поглощают свет обеими сторонами).
    Особенности
    • Заряд аккумуляторной батареи при слабом солнечном свете уменьшается, отдавая электроприемнику электрическую энергию, то есть идет постоянная работа в режиме зарядки и разряда. Контроль выполняется специальным контроллером.
    • СБ не требуют никаких специальных профилактических работ. Может потребоваться лишь протирание пыли.
    • Панели можно использовать и зимой, однако производительность в этот период уменьшается в полтора-два раза. Чтобы на панелях не накапливается снег, их следует устанавливать под углом 70 градусов на возвышении.
    • Солнечные батареи лучше всего подойдут для автономных систем, в которых много бытовых энергоэффективных электроприборов, не включенных постоянно.
    Применение
    Солнечные батареи могут применяться практически повсеместно:
    • Электромобили.
    • Портативная электроника.
    • Калькуляторы, фонарики, плееры и так далее, то есть везде, где требуется подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники.
    • Авиация. Так создан самолет Solar Impulse, работающий только на солнечной энергии.
    • Энергообеспечение домов, школ, аэропортов и иных зданий. Солнечные батареи широко используются в субтропических и тропических регионах, где много солнечных дней. В особенности популярны они в странах Средиземноморья.
    • Использование в космосе. СБ ставят на МКС, устанавливают на спутниках, космических и межпланетных аппаратах, а также многое другое.
    Достоинства и недостатки
    Среди преимуществ можно отметить:
    • Экологичность;
    • Долговечность, фотоэлементы служат несколько десятков лет;
    • Простой принцип работы. Благодаря чему поломок в солнечной батарее практически не бывает;
    • Бесшумность;
    • Возможность постоянной работы;
    • Не нужно топлива;
    • Общедоступность;
    • Возможность изменения мощности системы.
    Среди недостатков можно отметить:
    • Низкий КПД. Нужна большая площадь батарей, чтобы обеспечить нужды даже небольшой семьи;
    • Сложность сборки системы и наладки;
    • Достаточно высокая стоимость солнечных батарей, а также низкая окупаемость системы.
    Перспективы

    Стремление человечества к экологичности и отказу от нефти приведет к внедрению все больших энергосберегающих технологий. Это значит, что солнечные батареи будут использоваться повсеместно. А создание панелей с более высоким КПД позволит:

    • Оборудовать большинство зданий панелями для получения энергии;
    • Монтировать их в автомобили, дороги, роботы и многочисленные иные приборы;
    • Устанавливать их в одежду и даже вживлять в человека. Южнокорейские ученые уже создали подкожную солнечную батарею, которая в 15 раз тоньше волоса. Она обеспечивает бесперебойную работу приборов, которые имплантированы в тело, к примеру, кардиостимулятора.

    Принцип действия солнечных батарей.

    Почти 100% всей энергии, которую мы используем в повседневной жизни – это энергия солнца, так или иначе преобразованная. Уголь – это умершие растения, которые жили благодаря фотосинтезу, нефть – растения и животные, которые вымерли миллионы лет назад и росли за счет энергии солнца. Даже когда вы сжигаете дрова – вы даете выход солнечной энергии, которую в себя впитала древесина. По сути, любая тепловая электростанция преобразовывает аккумулированную в виде угля, нефти, газа и др. ископаемых солнечную энергию в электричество.

    Солнечная батарея просто делает это напрямую, без участия «посредников». Электричество – наиболее удобная форма применения солнечной энергии. Весь быт человечества сейчас построен вокруг электричества, и цивилизацию без него очень сложно представить. Несмотря на то, что первые фотоэлементы появились более полувека назад, солнечная энергетика пока не нашла должного распространения. Почему? Об этом в конце статьи, а пока разберемся, как это все работает.

    Все дело в кремнии

    Солнечные батареи состоят из ячеек меньшего размера – фотоэлементов, которые сделаны из кремния.

    Солнечная панель состоит из нескольких фотоэлементов.

    Важно. Кремний – наиболее распространенный полупроводник на Земле (около 30% всей земной коры)

    Кремний располагается между двумя токопроводящими слоями.

    «Сэндвич» из кремния и токопроводящих слоев

    Каждый атом кремния соединен с соседними четырьмя сильными связями, которые удерживают электроны на месте, поэтому так ток течь не может.

    Структура атомов кремния

    Для того, чтобы получить ток используют два различных слоя кремния:

    • Кремний N-типа имеет избыток электронов
    • Кремний Р-типа – дополнительные места для электронов (дырки)

    Кремний Р и N типа

    Там, где соединяются два типа кремния, электроны могут перемещаться через Р-N переход, оставляя положительный заряд на одной стороне и отрицательный на другой.

    Чтобы это было легче представить, лучше думать о свете, как о потоке частиц (фотонов), которые ударяются о нашу ячейку настолько сильно, что выбивает электрон из его связи, оставляя дырку. Отрицательно заряженный электрон и место положительно заряженной дырки теперь могут свободно перемещаться, но т.к. мы имеем электрическое поле на Р-N переходе, они движутся только в одном направлении. Электрон – в сторону N-проводника, дырка стремится на Р — сторону пластины.

    После «освобождения» электрон стремится к проводнику

    Все электроны собираются металлическими проводниками вверху ячейки и уходят во внешнюю сеть, питая токоприемники, аккумуляторы для солнечных батарей или электрический стул для хомяка 🙂 . После проведенной работы электроны возвращаются к обратной стороне пластины и занимают места в тех самых «дырках».

    Стандартная пластина, 150х150 мм номинально вырабатывает только 0,5 вольта, но если объединить их в одну большую панель, то можно получить бо́льшую мощность и вольтаж. Для зарядки мобильника нужно объединить 12 таких пластин. Для питания дома нужно затратить гораздо больше пластин и панелей.

    Благодаря тому, что в фотоэлементах единственной подвижной частью являются электроны, солнечные панели не нуждаются в обслуживании и могут служить 20-25 лет не изнашиваясь и не ломаясь.

    Почему человек не перешел на солнечную энергию полностью?

    Можно много рассуждать о политике, бизнесе и прочей конспирологии, но в рамках этой статьи хотелось бы рассказать о других проблемах.

    1. Неравномерное распределение солнечной энергии по поверхности планеты. Одни области более солнечные, чем другие и это тоже непостоянною. Солнечной энергии гораздо меньше в пасмурные дни и совсем нет ночью. И чтобы полностью рассчитывать на солнечную энергию, необходимы эффективные способы получения электричества для всех областей.
    2. КПД. В лабораторных условиях удалось достичь результата в 46%. Но коммерческие системы не достигают даже 25% эффективности.
    3. Хранение. Самым слабым звеном в солнечной энергетике является отсутствие эффективного и дешевого способа сохранять полученную электроэнергию. Существующие аккумуляторные батареи тяжелы и значительно снижают эффективность и без того слабые показатели солнечной системы. В целом, хранить 10 тонн угля проще и удобнее, чем 46 мегаватт, выработанных этим же углем или солнцем.
    4. Инфраструктура. Для того, чтобы питать мегаполисы – площадей крыш этих городов будет недостаточно, чтобы удовлетворить все запросы, поэтому для внедрения солнечной энергетики нужно транспортировать энергию, а для этого необходимо строить новые энергетические объекты

    Видео о том, как производят солнечные батареи.

    В ролике подробно описывается процесс изготовления поликристаллических солнечных батарей, принцип их работы в системе солнечных электростанций, принцип работы контроллера заряда и инвертора.

    Принцип работы солнечной батареи, что такое солнечная батарея

    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.

    А вы знали, что фотон находится в постоянном движении со световой скоростью?

    Рисунок №1. 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:

    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

    Рисунок №2. Схема 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

    Рисунок №3. Схематическое изображение принципов 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 сек, 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 использования солнечной батареи 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.

    Солнечные батареи принцип работы

    Приборы, служащие для преобразования электроэнергии из солнечных лучей, в народе называют солнечными батареями. По сути, такие электрогенераторы работают пока светит солнце, а значит такой источник энергии является практически неиссякаемым.

    История открытия солнечных батарей

    Александр Эдмон Беккерель

    В XIX веке (1839 год) в возрасте 12 лет, французский естествовед Александр Эдмон Беккерель увидел фотогальванический эффект, трудясь в лаборатории своего отца Антуана Беккереля. Суть эффекта состоял в том, что при освещении платиновых пластин, находящихся в растворе электролита, гальванометр зарегистрировал появление ЭДС (электродвижущая сила). Взяв за основу этот эффект, Беккерель спроектировал актинограф — прибор для регистрации интенсивности света.

    Дальнейшим шагом на пути к солнечным батареям стало открытие фотопроводимости селена. Его осуществил Уиллоби Смит, английский инженер-электрик, занимавшийся разработкой изоляции подводных кабелей. В 1873 году он обнаружил, что электрическое сопротивление серого селена сильно «прыгает» от замера к замеру. Оказывается электропроводность стержней из селена стремительно возрастает при попадании на света. А в 1883 году американец Чарльз Фритс произвел первый фотоэлемент из тонкого слоя селена, находящийся между пластинами золота и меди.

    Немецкий физик Генрих Герц в 1887 году выявил влияние солнечного излучения на электрический разряд. Смотря одновременно 2 разряда, Герц отметил, что яркая вспышка света от электрической искры 1-го разряда повышает длительность другого разряда.

    Александр Григорьевич Столетов

    В 1888 году наш земляк Александр Григорьевич Столетов изучил, как разряжается под воздействием освещения отрицательно заряженный цинковый электрод и как данный процесс зависит от интенсивности света.

    Благодаря работам английского физика Джозефа Томсона в 1899 году и немецкого физика Филиппа Ленарда в 1900 году было подтверждено, что свет, попадая на металлическую поверхность, выбивает из неё электроны, вызывая возникновения фототока. Но целиком понять естество данного явления получилось в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн предоставил его разъяснение с позиции квантовой теории.

    Джозеф Томсон (слева) и Филипп Ленард (справа)

    Обширное применение солнечных модулей началось с 1946 года, после того как работы по увеличению производительности приборов были запатентованы. А в 1957 году солнечные батареи уже были запущены в космическое пространство в составе искусственного спутника земли. Данный полет продемонстрировал, что работа солнечных батарей способна не только обеспечивать энергией спутники, а считается единственным возможным источником питания для бесперебойной работы таких автономных устройств в космосе.

    Принцип работы и устройство солнечной батареи

    Устройство и принцип действия солнечной батареи

    На сегодняшний день солнечные преобразователи производятся в большинстве случаев из кремния. Отличают 2 вида передовых технологий, на базе которых функционируют батареи: поликристаллическая и монокристаллическая.

    Поликристаллическая по стоимости ниже, благодаря чему не особо эффективная технология.

    Монокристаллическая по стоимости выше, цена которой зависит от трудозатратной технологии изготовления, а точнее выращивания монокристаллов. Она предоставляет больше количества электроэнергии и срок службы ее существенно больше. Благодаря этому, монокристаллический солнечный модуль является наиболее лучшим для использования его в повседневной жизни.

    Работа солнечного элемента сопряжена с его устройством. Состоит он из кремниевых наружных пластин, с различными свойствами проводимости, и внутреннего слоя чистого монокристаллического кремния. Внутренний слой имеет установленную дырочную проводимость. Один из наружных проводников тоньше противоположного слоя и покрыт особым слоем, образующим цельный металлический контакт.

    При попадании на один из наружных слоев солнечного света создается фотогальванический эффект, что приводит к формированию в этом слое свободных электронов. Данные частицы получают вспомогательную энергию и способны преодолеть внутренний слой элемента, который в данном случае именуется барьером. Чем больше объем солнечного света, тем сильнее происходит процесс прохождения или перепрыгивания электронов от одной наружной пластины к другой, минуя внутреннюю перегородку. При замыкании наружных пластин возникает напряжение. Та пластина, которая усиленно отдает частицы, создает в себе так называемые дырки, обретает знак минус, а которая принимает, обретает знак плюс.

    Типы солнечных батарей

    На сегодняшний день на рынке присутствуют 5 видов солнечных батарей в которых используются разные материалы и фотоэлементы.

    Максимальную известность приобрели солнечные батареи из поликристаллических фотоэлементов. Результативность подобных панелей обычно составляет 12-14 %.

    Поликристаллическая солнечная батарея

    Панели из монокристаллических фотоэлементов характеризуются наиболее большим коэффициентом полезного действия (14-16 %). Подобные панели немножко дороже, нежели панели из поликристаллического кремния. Так же фотоэлементы выполнены в виде многоугольника и из-за этого не целиком наполняют пространство солнечной батареи, что приводит к наиболее низкой производительности всей батареи по отношению к одной ячейки фотоэлемента.

    Монокристаллическая солнечная батарея

    Солнечные батареи из аморфного кремния располагают минимальной результативности (6-8 %), однако в то же время обладают низкой себестоимостью производимой энергии.

    Солнечная батарея из аморфного кремния

    Солнечные батареи на основе Теллурид Кадмия (CdTe) внешне изображают тонкопленочную технологию изготовления солнечных панелей. Полупроводниковые слои покрывают панель толщиной всего в несколько сотен микрон. Разработка считается наименее опасным для окружающей среды. Результативность солнечных батарей CdTe составляет примерно 11-12 %.

    Солнечная батарея на основе Теллурид Кадмия (CdTe)

    Солнечные батареи в составе которых присутствуют смеси Индия, Галлия, Меди, Селена (CIGS) так же считаются тонкопленочной технологией изготовления фотоэлементов. Эффективность колеблется примерно от 10 до 15 %. Такая технология не особо распространена на рынке, но весьма быстро развевается.

    Солнечные батареи на основе смеси Индия, Галлия, Меди, Селена (CIGS)

    Области применения солнечных панелей

    • Портативная электроника. Для снабжения электричеством и(или) подзарядки аккумуляторных батареи разной бытовой электроники.
    • Электромобили. Подзарядка автотранспорта.
    • Авиация. Разработка самолета, использующего только энергию солнца.
    • Энергообеспечение зданий. Электроснабжение дома, за счет размещения крупных солнечных батарей на крышах.
    • Энергообеспечение населённых пунктов. Создание солнечных электростанций.
    • Дорожное покрытие. Дороги, покрытые солнечными панелями, для освещения их же в ночное время.
    • Использование в космосе. Электроснабжение космических аппаратов.
    • Использование в медицине. Внедрение под кожу миниатюрную солнечную батарею для обеспечения работы приборов, имплантированных в тело.

    Преимущества и недостатки солнечных источников энергии

    Преимущества:

    • Экологически чистая энергия;
    • Неисчерпаемость и постоянство солнечной энергии;
    • Минимум обслуживания;
    • Длительный срок службы;
    • Доступность;
    • Экономичность;
    • Большая область применения.

    Недостатки:

    • Высокая цена панелей;
    • Нерегулярность из-за погодных условий;
    • Высокая цена аккумуляторных батарей для аккумулирования энергии;
    • Для большей мощности необходимо устанавливать большие площади солнечных панелей.

    Таким образом, анализируя все вышеупомянутое, можно отметить, что в данный момент получить выгоду от солнечной энергии могут лишь достаточно богатые собственники загородных домов. Они могут без проблем дождаться того этапа, когда батареи окупят себя.

    Как работают солнечные батареи и их виды. Принцип работы солнечной батареи: как устроена и работает солнечная панель

    Солнечный свет не только делает возможной жизнь на Земле, он может со временем также стать и поставщиком большого количества электроэнергии, без которой немыслима современная цивилизация. Использование солнечного света может быть не прямым, а в виде подвода энергии к турбинам.

    В этом случае комплект зеркал фокусирует солнечную энергию на теплообменник, который испаряет воду или любую другую жидкость, вырабатывая пар для привода обычной турбины, соединенной с генератором. Однако возможно и прямое преобразование солнечного света в электроэнергию, например, при помощи кремниевых солнечных элементов.

    Типичный солнечный элемент состоит из шести слоев. Основание (база) одновременно выполняет роль отрицательного полюса элемента; отражающий слой удерживает свет внутри рабочей части элемента, увеличивая его электрическую эффективность; два слоя обогащенного кремния (N-типа и Р-типа) образуют ядро солнечного элемента. Кремний N-типа имеет свободные отрицательные заряды, а кремний Р-типа — несвязанные положительные заряды. При отсутствии освещения эти заряды скапливаются в зоне контакта слоев; когда на элемент падает солнечный свет, заряды расходятся в стороны. Такое перемещение зарядов создает постоянный ток, если солнечный элемент является частью замкнутой цепи. Сверху кремний защищен прозрачной пленкой, на которой размещен металлический контакт положительного полюса.

    Как работает солнечный элемент

    Солнечный свет, падающий на элемент солнечной батареи, разделяет положительные и отрицательные заряды, которые аккумулируются в зоне контакта между пластинками кремния Р-типа и N-типа. Это разделение создает напряжение, под действием которого при включении элемента в замкнутую цепь в ней начинает течь электрический ток

    Секционные солнечные батареи

    Солнечные батареи (рисунок над текстом) вырабатывают постоянный ток, который может быть преобразован на электростанции в переменный. Избыточная электроэнергия, выработанная солнечными элементами, может быть запасена в аккумуляторных батареях для последующего использования.

    Солнечные батареи в космосе

    Для большинства космических спутников солнечные батареи являются основным источником энергии. Эти батареи (рисунок справа) отличаются от тех, что используются на Земле (рисунок слева). Если батареи, установленные вблизи земной поверхности, нуждаются в защите от дождя и пыли, то те, что функционируют в космосе, должны быть защищены от жесткого космического излучения.

    Солнечная теплоэлектростанция


    Солнечный свет может снабжать теплотой паротурбинную установку, приводящую во вращение генератор. Комплект зеркал фокусирует солнечный свет на башню-концентратор. Результирующий световой пучок настолько интенсивен, что может превращать натрий в пар. Пары натрия используются для превращения воды в пар, который затем приводит во вращение турбину.

    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.

    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.

    Солнце – это неисчерпаемый источник энергии. Его можно использовать, сжигая деревья или нагревая воду в солнечных нагревателях, преобразуя полученное тепло в электроэнергию. Но есть устройства, превращающие солнечный свет в электричество напрямую. Это солнечные батареи.

    Сфера применения

    Есть три направления использования солнечной энергии:

    • Экономия электроэнергии. Солнечные панели позволяют отказаться от централизованного электроснабжения или уменьшить его потребление, а также продавать излишки электричества электроснабжающей компании.
    • Обеспечение электроэнергией объектов, подведение к которым линии электропередач невозможно или невыгодно экономически. Это может быть дача или охотничий домик, находящийся далеко от ЛЭП. Такие устройства используются также для питания светильников в отдаленных участках сада или автобусных остановках.
    • Питание мобильных и переносных устройств. При походах, поездках на рыбалку и других подобных мероприятиях есть необходимость зарядки телефонов, фотоаппаратов и прочих гаджетов. Для этого также используются солнечные элементы.

    Солнечные батареи удобно применять там, куда нельзя подвести электричество

    Принцип работы

    Элементы солнечных батарей представляют собой пластинки из кремния толщиной 0,3 мм. Со стороны, на которую попадает свет, в пластину добавлен бор. Это приводит к появлению избыточного количества свободных электронов. С обратной стороны добавлен фосфор, что приводит к образованию «дырок». Граница между ними называется p-n переход. При попадании света на пластину, он «выбивает» электроны на обратную сторону. Так появляется разность потенциалов. Вне зависимости от размера элемента, одна ячейка развивает напряжение 0,7 В. Для увеличения напряжения, их соединяют последовательно, а для повышения силы тока – параллельно.

    Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

    Задать вопрос эксперту

    В некоторых конструкциях, для увеличения мощности, над элементами устанавливались линзы или использовалась система зеркал. С уменьшением стоимости батарей такие устройства стали неактуальными.

    Максимальный КПД панели, а, следовательно, и мощность, достигается при падении света под углом 90 градусов. В некоторых стационарных устройствах батарея поворачивается вслед за солнцем, но это сильно удорожает и утяжеляет конструкцию.

    Принцип работы солнечной батареи

    Преимущества и недостатки применения батарей

    У солнечных панелей, как и у любых устройств, есть достоинства и недостатки, связанные с принципом действия и особенностями конструкции.

    Достоинства солнечных батарей:

    • Автономность. Позволяют обеспечить электроэнергией удаленные здания или светильники и работу мобильных устройств в походных условиях.
    • Экономичность. Для выработки электроэнергии используется свет солнца, за который не нужно платить. Поэтому ФЭС (фотоэлектрические системы) окупаются за 10 лет, что меньше срока службы, составляющего более 30. Причем 25–30 лет – это гарантийный срок, а фотоэлектростанция будет работать и после него, принося прибыль владельцу. Конечно, необходимо учесть периодическую замену инверторов и аккумуляторных батарей, но все равно, использование такой электростанции помогает экономить средства.
    • Экологичность. При работе устройства не загрязняют окружающую среду и не шумят, в отличие от электростанций, работающих на других видах топлива.

    Кроме достоинств, у ФЭС есть недостатки:

    • Высокая цена. Такая система стоит довольно дорого, особенно с учетом цены на аккумуляторные батареи и инверторы.
    • Большой срок окупаемости. Средства, вложенные в фотоэлектростанцию, окупятся только через 10 лет. Это больше, чем основная масса других вложений.
    • Фотоэлектрические системы занимают много места – всю крышу и стены здания. Это нарушает дизайн сооружения. Кроме того, аккумуляторные батареи большой емкости занимают целую комнату.
    • Неравномерность выработки электроэнергии. Мощность устройства зависит от погоды и времени суток. Это компенсируется установкой аккумуляторных батарей или подключением системы к сети. Это позволяет в хорошую погоду днем продавать излишки электроэнергии электрокомпании, а ночью наоборот подключать оборудование к централизованному электроснабжению.

    Технические характеристики: на что обратить внимание

    Главным параметром фотоэлементной системы является мощность. Напряжение такой установки достигает максимума при ярком свете и зависит от количества соединенных последовательно элементов, которое почти во всех конструкциях равно 36. Мощность зависит от площади одного элемента и количества цепочек по 36 штук, соединенных параллельно.

    Кроме самих батарей, важно подобрать контроллер зарядки аккумуляторов и инвертор, преобразующий заряд аккумуляторных батарей в напряжение сети, а также сами панели.

    В аккумуляторных батареях есть допустимый ток зарядки, который нельзя превышать, иначе система выйдет из строя. Зная напряжение аккумуляторов, легко определить мощность, необходимую для зарядки. Она должна быть больше мощности солнечной электростанции, иначе в солнечный день часть энергии окажется неиспользованной.

    Контроллер обеспечивает заряд аккумуляторов и также должен иметь мощность, позволяющую полностью использовать энергию солнца.

    К инвертору подключается оборудование, получающее энергию от ФЭС, поэтому его мощность должна соответствовать суммарной мощности электроприборов.

    Виды солнечных батарей

    Кроме размера и мощности, панели отличаются способом, которым изготавливаются из кремния отдельные элементы.

    Внешний вид моно- и поликристаллических панелей

    Элементы из монокристаллического кремния

    Элементы солнечных батарей, изготовленные из монокристаллического кремния, имеют форму квадрата с закругленными углами. Это связано с технологией изготовления:

    • из расплавленного кремния высокой степени очистки выращивается кристалл цилиндрической формы;
    • после остывания у цилиндра обрезаются края, и основание из круга принимает форму квадрата с закругленными углами;
    • получившийся брусок разрезается на пластины толщиной 0,3 мм;
    • в пластины добавляются бор и фосфор и на них наклеиваются контактные полоски;
    • из готовых элементов собирается ячейка батареи.

    Готовая ячейка закрепляется на основании и закрывается стеклом, пропускающим ультрафиолетовые лучи или ламинируется.

    Такие устройства отличаются самым высоким КПД и надежностью, поэтому устанавливаются в важных местах, например, в космических аппаратах.

    Фотоэлементы из мульти-поликристаллического кремния

    Кроме элементов из цельного кристалла, есть устройства, в которых фотоэлементы изготавливаются из поликристаллического кремния. Технология производства похожа. Основное отличие в том, что вместо кристалла круглой формы используется прямоугольный брусок, состоящий из большого количества мелких кристаллов различных форм и размеров. Поэтому элементы получаются прямоугольной или квадратной формы.

    В качестве сырья берутся отходы производства микросхем и фотоэлементов. Это удешевляет готовое изделие, но ухудшает его качество. Такие устройства имеют меньший КПД – в среднем 18% против 20–22% у монокристаллических батарей. Однако вопрос выбора достаточно сложный. У разных производителей цена одного киловатт мощности монокристаллических и поликристаллических панелей может быть одинаковой или в пользу любого вида устройств.

    Фотоэлементы из аморфного кремния

    В последние годы распространение получили гибкие батареи, которые легче жестких. Технология их изготовления отличается от технологии изготовления моно- и поликристаллических панелей – на гибкую основу, обычно стальной лист, напыляются тонкие слои кремния с добавками до достижения необходимой толщины. После этого листы разрезаются, к ним приклеиваются токопроводящие полоски и вся конструкция ламинируется.

    Солнечные батареи из аморфного кремния

    КПД таких батарей примерно в 2 раза меньше, чем у жестких конструкций, однако, они легче и более прочные за счет того, что их можно сгибать.

    Такие приборы дороже обычных, но им нет альтернативы в походных условиях, когда основное значение имеет легкость и надежность. Панели можно нашить на палатку или рюкзак, и заряжать аккумуляторы во время движения. В сложенном виде такие устройства похожи на книгу или свернутый в рулон чертеж, который можно поместить в футляр, напоминающий тубус.

    Кроме зарядки мобильных устройств в походе, гибкие панели устанавливаются в электромобилях и электросамолетах. На крыше такие приборы повторяют изгибы черепицы, а если в качестве основы использовать стекло, то оно приобретает вид тонированного и его можно вставить в окно дома или теплицу.

    Контроллер заряда для солнечных батарей

    У прямого подключения панели к аккумулятору есть недостатки:

    • Аккумулятор с номинальным напряжением 12 В будет заряжаться только при достижении напряжения на выходе фотоэлементов 14,4 В, что близко к максимальному. Это значит, что часть времени батареи заряжаться не будут.
    • Максимальное напряжение фотоэлементов – 18 В. При таком напряжении ток заряда аккумуляторов будет слишком большим, и они быстро выйдут из строя.

    Для того чтобы избежать этих проблем необходима установка контроллера заряда. Самыми распространенными конструкциями являются ШИМ и МРРТ.

    ШИМ-контроллер заряда

    Работа ШИМ-контроллера (широтно-импульсная модуляция – англ. pulse-width modulation — PWM) поддерживает постоянное напряжение на выходе. Это обеспечивает максимальную степень заряда аккумулятора и его защиту от перегрева при зарядке.

    МРРТ-контроллер заряда

    МРРТ-контроллер (Maximum power point tracker – слежение за точкой максимальной мощности) обеспечивает такое значение выходного напряжения и тока, которое позволяет максимально использовать потенциал солнечной батареи вне зависимости от яркости солнечного света. При пониженной яркости света он поднимает выходное напряжение до уровня, необходимого для зарядки аккумуляторов.

    Такая система есть во всех современных инверторах и контроллерах зарядки

    Виды аккумуляторов, используемых в батареях

    Аккумуляторы – важный элемент системы круглосуточного электроснабжения дома солнечной энергией.

    В таких устройствах используются следующие виды аккумуляторов:

    • стартерные;
    • гелевые;
    • AGM батареи;
    • заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы.

    Аккумуляторы других типов, например, щелочные или литиевые дорогие и используются очень редко.

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

    Стартерные аккумуляторы

    Самый распространенный тип аккумуляторов. Они дешевы, но обладают большим током саморазряда. Поэтому через несколько пасмурных дней батареи разрядятся даже при отсутствии нагрузки.

    Недостатком таких устройств является то, что при работе происходит газовыделение. Поэтому их необходимо устанавливать в нежилом, хорошо проветриваемом помещении.

    Кроме того, срок службы таких аккумуляторов до 1,5 лет, особенно при многократных циклах заряд-разряд. Поэтому в долгосрочной перспективе эти устройства окажутся самыми дорогими.

    Гелевые аккумуляторы

    Гелевые аккумуляторы –изделия, не требующие обслуживания. При работе отсутствует газовыделение, поэтому их можно устанавливать в жилой комнате и помещении без вентиляции.

    Такие устройства обеспечивают большой выходной ток, имеют высокую емкость и низкий ток саморазряда.

    Недостаток таких приборов в высокой цене и небольшом сроке службы.

    AGM батареи

    Эти батареи имеют небольшой срок службы, однако, у них есть много преимуществ:

    • отсутствие газовыделения при работе;
    • небольшими размерами;
    • большим количеством (около 600) циклов заряда-разряда;
    • быстрым (до 8 часов) зарядом;
    • хорошей работой при неполном заряде.

    AGM батарея изнутри

    Заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы

    Такие устройства являются самыми надежными и имеют наибольший срок службы. Они обладают низким током саморазряда и высокой энергоемкостью.

    Эти качества делают такие приборы наиболее популярными для установки в фотоэлементных системах.

    Как определить размер и количество фотоэлементов?

    Необходимые размер и количество фотоэлементов зависит от напряжения, силы тока и мощности, которые нужно получить от батареи. Напряжение одного элемента в солнечный день равно 0,5 В. При облачности оно намного ниже. Поэтому для зарядки аккумуляторов 12 В, соединяются последовательно 36 фотоэлементов. Соответственно, для аккумуляторов 24 В необходимо 72 элемента и так далее. Общее их количество зависит от площади одного элемента и необходимой мощности.

    Один квадратный метр площади батареи, с учетом КПД, может выдать приблизительно 150 Вт. Точнее можно определить по метеорологическим справочникам, показывающим количество солнечной радиации в месте установки гелиооэлектростанции или в интернете. КПД устройства указан в паспорте.

    При изготовлении фотоэлектростации своими руками необходимое количество элементов определяется по мощности одного элемента в данном климате с учетом КПД.

    Расчет количества солнечных батарей исходит из необходимого электричества

    Эффективность солнечных батарей зимой

    Несмотря на то что зимой солнце поднимается ниже, поток света уменьшается незначительно, особенно после выпадения снега.

    Основных причин, по которым солнечные элементы зимой менее эффективны три:

    • Меняется угол падения лучей. Для того чтобы сохранять мощность, угол наклона батареи необходимо менять хотя бы раз в сезон, а лучше каждый месяц.
    • Снег, особенно влажный, налипает на поверхность устройства. Его необходимо убирать сразу после выпадения.
    • Зимой меньше продолжительность светлого времени суток, а также больше пасмурных дней. Изменить это невозможно, поэтому приходится рассчитывать мощность батареи по зимнему минимуму.

    Правила установки

    Максимальная мощность панели достигается в положении, при котором солнечные лучи падают перпендикулярно. Это необходимо учитывать при установке. Важно также учесть, в какое время суток минимальная облачность. Если угол наклона крыши и ее положение не соответствуют требованиям, то оно исправляется регулировкой основания.

    Между батареей и крышей должен быть воздушный зазор 15–20 сантиметров. Это необходимо для протекания дождя и предохранения от перегрева.

    Фотоэлементы плохо работают в тени, поэтому следует избегать располагать их в тени от зданий и деревьев.

    Электростанции из солнечных фотоэлементов – это перспективный экологически чистый источник энергии. Их широкое применение позволит решить проблемы с нехваткой энергии, загрязнением окружающей среды и парниковым эффектом.

    Альтернативные источники энергии, преобразующие солнечный свет в электричество, становятся все более востребованными в быту и промышленности. Они используются в авиации, космических разработках, электронике, для создания экологически безопасного транспорта. Но самой перспективной считается отрасль энергообеспечения зданий: питание бытовых приборов и системы отопления дома, нагрев горячей воды. К преимуществам относят: независимость от времени года и коммунальных служб, возможность аккумулирования запаса энергии, надежность и долгий срок службы. Но для достижения максимального эффекта от применения важно знать принцип действия батарей и соблюдать условия их монтажа и эксплуатации.

    Фотоэлектрические преобразователи или солнечные аккумулирующие батареи представляют собой пластину со свойствами полупроводника, вырабатывающую постоянный ток при попадании на нее световых лучей. Основой может быть кремний (наиболее распространенный вид) и его соединения с медью, галлием, кадмием, индием, амфорные, органические или химические фотоэлементы, полимерная пленка.

    Каждый материал имеет свой коэффициент ФЭП солнечных лучей (от 5 до 30 %) и, как следствие — вырабатывает определенную мощность при равной интенсивности светового потока. Многое зависит от площади батареи, одиночный кристалл полупроводника производит незначительное количество энергии, в среднем для получения 0,15 кВт потребуется 1 м2 панели. Исключение составляют инновационные многослойные полимерные соединения (монокристаллы), их КПД достигает 30 %, но эта технология еще недоступна рядовому потребителю.

    Помимо пластины, в схему солнечной батареи входят вспомогательные приборы (для передачи, распределения и аккумулирования энергии):

    • Инвертор или преобразователь постоянного тока.
    • Накопитель для бесперебойной работы системы в ночное время или в пасмурную погоду.
    • Стабилизатор напряжения.
    • Контроллер для отслеживания заряда.

    В зависимости от площади используются миниатюрные маломощные батареи (до 10 Вт) либо большие стационарные панели. Первые относятся к переносным (популярны для зарядки ноутбука, калькулятора, мобильных устройств). Вторые чаще служат для энергоснабжения и отопления дома, размещаются обычно на крыше. Так как мощность батарей полностью пропорциональна солнечной интенсивности, стало целесообразным размещать отслеживающие панели (изменяющие угол расположения, в зависимости от движения Солнца). Толщина вариантов из полупроводника незначительна (от 10 мкм до 10 см), но с учетом вспомогательных приборов модули весят больше, что учитывается при просчете нагрузки на стропила и поверхность крыши.

    Принцип фотоэлектрического преобразования

    Для того чтобы понять как работает солнечная батарея, следует вспомнить школьный курс физики. При попадании света на пластину из двух слоев полупроводников разной проводимости возникает эффект p-n перехода, электроны из катода покидают свои атомы и захватываются на уровне анода. При подключении в схему нагрузки (аккумулятора) они отдают свою положительно заряженную энергию и возвращаются в n-слой. Это явление более известно как «внешний фотоэффект», а двухслойная пластина как «фотоэлемент». Чаще всего применяется один и тот же материал: базовый полупроводник с определенным типом проводимости покрывается слоем с противоположным зарядом, но с высокой концентрацией легирующих примесей.

    Этот принцип работы солнечных батарей неизменен с момента открытия эффекта; именно на границе зон осуществляется электронно-дырочный переход. При воздействии солнечных лучей в обоих направлениях проходит движение разнозаряженных частиц, при замыкании контура ФЭП они осуществляют работу на нагрузку. Для полноценной передачи (сбора и отвода электронов) используется контактная система (внешняя сторона батареи напоминает сетку или гребенку, а тыльная обычно сплошная). Чем выше площадь p-n перехода и коэффициент фотоэлектрического преобразования полупроводника, тем большую мощность производит устройство. Физическое явление и принцип работы не зависят от температуры воздуха, важна лишь интенсивность солнечного света. Как следствие, на величину КПД панели оказывают влияние погодные условия, климат, сезон, географическая широта.

    Способы повысить эффективность батареи

    Даже в средней полосе России установка солнечных аккумуляторов окупается за 3–5 лет, ведь лучи абсолютно бесплатны и доступны круглый год. Но для полноценного отопления дома в 100 м2 полезной площади потребуется около 30 м2 панелей. Для усиления принципа фотоэффекта рекомендуется провести следующие работы:

    1. Разместить батареи на южной стороне под углом не менее 30°.
    2. Не монтировать солнечные панели под тенью высоких деревьев.
    3. Раз в 2 года очищать поверхность от грязи.
    4. Установить отслеживающие солнечный свет системы.

    Полностью отказываться от внешнего энергоснабжения не стоит, даже современные комплексы не способны аккумулировать достаточное количество энергии для полноценного обеспечения здания при длительной непогоде. Лучше всего использовать их как часть комбинированной системы.

    Получили настолько широкое распространение, что каждый пользователь может заказать комплектующие и самостоятельно своими руками собрать и установить фотоэлектрические панели. Конечно, вопрос цены остаётся актуален, ведь солнечные панели совсем не дешёвый вариант, зато это экологично. А стоимость, с каждым годом становится всё дешевле. Так что каждый, наверняка сталкивался с идеей использования такого источника электричества, но вот принцип работы солнечной батареи знает далеко не каждый.

    Видео о том, как работает солнечная батарея

    Принцип работы солнечной батареи

    Чтобы понять как работает солнечная батарея необходимо разобраться из чего она состоит. Как правило солнечный источник энергии состоит из таких частей:

    • Генератор постоянного тока (она же солнечная панель)
    • Аккумулятор с контролем заряда и инвертором, преобразующим ток в переменный
    • В свою очередь панель состоит из фотоэлектрических преобразователей , которые, говоря простым языком, трансформируют солнечную энергию в электрическую. Чаще всего это поликристаллические или монокристаллические кремниевые батареи. Разница в КПД и технологии производства.

    Принцип работы солнечной электростанции заключается в последовательном взаимодействии ряда элементов единой сети. Соединяются элементы в солнечной панели последовательно и параллельно. Делается это для того, чтобы увеличить мощность, напряжение и ток. Плюс, такое соединение обезопасит при выходе из строя одного элемента — остальные детали цепи.

    • Также батареи пронизаны так называемыми диодами. Принцип действия солнечных батарей основывается именно на этих элементах. Такие диоды предохраняют панель во время частичного затемнения. Во время таких затемнений, батарея не прерывает свою работу, но вырабатывает на четверть меньшую мощность. Суть в том, что диоды не дают перегревать солнечные элементы, которые во время затемнения начинают потреблять электричество вместо того, чтобы вырабатывать.
    • Дальше электроэнергия накапливается в аккумуляторах. А после уже отдаётся в систему. Важный момент в том, чтобы количество параллельно и последовательно соединённых элементов в солнечной панели, было расчитано таким образом, чтобы напряжение, которое подведено к аккумуляторам, превышало напряжение самого аккумулятора. Даже с учётом просадки. При этом нагрузочный ток солнечной батареи должен обеспечивать достаточное количество зарядного тока. Этот параметр обязательно учитывается при .
    • Ещё один важный фактор в работе солнечных панелей — полезная мощность. Именно этот показатель отражает экономичность использования для пользователя. Высчитывается такая мощность исходя из напряжения и выходного тока установки. А эти показатели в свою очередь зависят от силы солнечного освещения, которое попадает непосредственно на панель. Кстати, слишком большие температуры для работы солнечных батарей не полезны. Ведь при интенсивном нагревании солнцем, у электровырабатывающих элементов падает так называемая электродвижущая сила. Тем не менее, чем ярче освещения от солнца, тем больший ток вырабатывается.

    Теперь немного формул о принципе работы солнечных батарей.

    Как работает солнечная панель? К примеру, солнечная батарея замкнута на нагрузку с измерянным сопротивлением (Rн) . В цепи, следовательно, появляется ток (I) . При этом показатель I формируется в прямой зависимости от качества преобразователя в цепи, силой солнечного освещения и сопротивления. Далее разберём . — это напряжение, которое создаётся на зажимах солнечных батарей. В итоге зная эти показатели, мы можем высчитать мощность, которая появляется в нагрузке на установку: Pн = IнUн

    Однако оптимальное сопротивление у каждой панели своё и зависит оно от уровня КПД.

    • При пасмурной погоде заряд аккумуляторов из-за меньшей выработки панелями электричества, естественно снижается. Во время такого процесса, электроэнергию принимает приёмник. Другими словами, аккумуляторы работают всегда либо на заряд либо на разряд. Этот механизм взаимодействия управляется контроллером.
    • Чаще всего работа аккумуляторов в цепи устроена таким образом, что они очень быстро заряжаются до 80-90%, а потом долго набирают остаток заряда. На сегодняшний день самые эффективные для использования в системах альтернативного снабжения электроэнергией батареи — гелевые. Такие батареи не требуют обслуживания и неприхотливы в условиях работы. При этом срок службы обычно достигает 10 лет.

    Контроллер, резистор и инвертор

    • Контроллер необходим для подключения аккумуляторов в сеть. Он контролирует заряд.
    • Резистор поглощает избыточную мощность выработки электроэнергии.
    • Инвертор необходим для нормального снабжения электросети, кроме тех случаев, когда необходимо запитать приёмники, которые работают от постоянного напряжения, а не от переменного.

    Конечно, разобраться во всех тонкостях работы сложно. Но надеемся, Вы найдёте ответы на страничках нашего сайта. Более наглядно работу солнечных элементов можно понять из графических схем.

    Точка J

    Обзоры и рейтинги статьи

    Гибкие солнечные батареи: виды и свойства солнечных панелей

    Солнечная энергия – один из самых перспективных и стремительно развивающихся альтернативных источников электричества. Это безграничный ресурс, который можно использовать в любой точке планеты, не загрязняя окружающую среду. Согласитесь, неплохо бы было обзавестись собственным альтернативным источником электроэнергии.

    Оказывается, теперь солнечную энергию можно преобразовывать в электричество прямо у себя дома. Вместо громоздких и хрупких каркасных панелей теперь все чаще применяют гибкие солнечные батареи. Но как это реализовать на практике?

    Мы поможем разобраться с устройством гибких солнечных панелей и принципом их работы. Полезные рекомендации по выбору и монтажу конструкций изложены в нашей статье. А для простоты восприятия информации материал содержит тематические фотографии и видеоролики.

    • Что такое солнечные батареи?
      • Строение и принципы работы гибких панелей
      • Преимущества гибких солнечных элементов
      • Недостатки солнечных батарей гибкого типа
    • Где и как применяют солнечную энергию?
      • Область применения солнечных батарей
      • Особенности применения гибких аморфных панелей

    • Инструкция по монтажу солнечных батарей на крыше
      • Шаг #1. Расчет количества панелей
      • Шаг #2. Правила монтажа
      • Шаг #3. Уход за системой после установки
    • Выводы и полезное видео по теме

    Что такое солнечные батареи?

    Для того, чтобы понять, подходят ли вам гибкие панели для получения электроэнергии, нужно разобраться с теорией. Что такое солнечная батарея, чем строение гибких моделей отличается от остальных? А так же,очень важно еще до покупки выяснить преимущества и недостатки конкретно этого типа солнечных элементов.

    Строение и принципы работы гибких панелей

    Принцип работы солнечной батареи построен на таком понятии, как фотовольтаика. Свет, как известно, может быть рассмотрен и как волна, и как поток частиц – фотонов. Возможность преобразовывать энергию фотонов в электричество и есть фотовольтаика.

    Полупроводник – это материал, который имеет особое строение атома. Полупроводник n-типа имеет лишние электроны, а у атомов полупроводника p-типа их не хватает. Чтобы собрать фотоэлемент, объединяют 2 типа материалов, образуя двуслойную конструкцию.

    Отдельные фотоэлементы объединяются в панели. Панели могут быть жесткими, в прочной металлической раме. Сейчас идет тенденция к облегчению конструкции фото-панелей. Популярность набирают гибкие и легкие солнечные элементы.

    Принцип действия солнечной батареи можно описать так:

    1. Солнечный свет попадает на поверхность фотоэлемента со стороны n-слоя.
    2. Фотоны сталкиваются с атомами полупроводника, «выбивая» лишние электроны.
    3. Свободные электроны двигаются в сторону р-слоя и попадают в атомы с недостатком частиц.
    4. В результате верхний слой выступает в качестве катода, а нижний – анода.
    5. Вырабатывается постоянный ток, которым можно легко зарядить аккумулятор.

    В качестве полупроводника используют кремний, селен и еще многие, более дорогие материалы.

    Для гибких пленочных солнечных батарей применяют и полимерное напыление с алюминиевыми проводниками. Такое строение делает панели удивительно тонкими и легкими.

    Эта технология только начинает развиваться, но то, что она имеет большие перспективы не вызывает сомнений. Но мы рассмотрим гибкие панели в широком смысле этого определения.

    Преимущества гибких солнечных элементов

    Преимущества гибких солнечных панелей делают этот метод производства электричества одним из самых перспективных:

    • вес;
    • размер;
    • эластичность;
    • производительность;
    • универсальность;
    • экономичность;
    • экологичность;
    • простота эксплуатации.

    Геометрические и физические параметры панелей, такие как размер и вес, имеют большое значение, поскольку для обеспечения электроэнергией целого жилого дома панелей потребуется большое количество, при использовании тяжелых моделей может возникнуть необходимость усиливать конструкцию здания, что значительно увеличит расходы на установку.

    Производительность кремниевых батарей достаточно высокая. Оценить коэффициент полезного действия в данном случае сложно, панели из полупроводников способны преобразовывать свет в электричество на 20% в среднем.

    То есть, если мощность солнечного излучения составит 200 Вт, электроэнергии будет получено около 40 Вт.

    Гибкие аморфные солнечные панели гораздо более терпимы к пасмурной погоде, нежели обычные жесткие конструкции на основе кремния.

    Для сравнения, стандартная солнечная батарея в пасмурную погоду способна работать только на 10% своей мощности, в то время как гибкая панель выдает около 50% от номинальных значений.

    Солнечный свет – ресурс бесплатный и неограниченный. Это его несомненный плюс, в чем и выражается безусловная экономичность солнечных панелей.

    Кроме того, такой метод производства энергии полностью экологически чист, никак не отражается на состоянии окружающей среды и не вредит ей.

    Более того, отказываясь от популярной альтернативы солнечной энергии – тепловых электростанций, человечество снижает уровень загрязнения атмосферы.

    Недостатки солнечных батарей гибкого типа

    Недостатков у гибких солнечных панелей тоже хватает. Во-первых, эта технология только развивается и еще не достигла пика своих возможностей. По производительности гибкие аморфные батареи уступают жестким поли- или монокристаллическим.

    Во-вторых, тонкая фольга и минимальный слой напыления относительно быстро выходят из строя. Гарантийный срок эксплуатации таких панелей – около 3 лет. После этого фотоэлементы начинают постепенно ломаться и требовать замены.

    Другие недостатки присущи всем типам солнечных батарей:

    • длительность окупаемости;
    • высокая стоимость;
    • большое количество дорогостоящего оборудования, помимо самих батарей;
    • зависимость от погодных условий.

    Гибкая панель мощностью около 150 Вт стоит примерно 40 тыс. руб. или больше, в зависимости от производителя. 20 батарей, набор аккумуляторов и дополнительное оборудование будут стоить круглую сумму. С учетом стоимости 1 кВт часа электроэнергии окупать систему вам придется не один год.

    Где и как применяют солнечную энергию?

    Гибкие панели применяются в разных сферах. Прежде чем составлять проект энергообеспечения дома при помощи этих солнечных батарей, выясните, где они применяются и каковы особенности их использования в нашем климате.

    Область применения солнечных батарей

    Применение гибких солнечных батарей очень широкое. Они с успехом используются в электронике, электрификации зданий, автомобиле- и авиастроении, на космических объектах.

    В строительстве такие панели используют для обеспечения жилых и промышленных зданий электричеством.

    Портативные зарядные устройства на основе гибких солнечных элементов доступны каждому и продаются повсеместно. Большие гибкие туристические панели для добычи электроэнергии в любом уголке Земного шара очень популярны среди путешественников.

    Очень необычная, но практичная идея – использовать в качестве основы для гибких батарей дорожное полотно. Специальные элементы защищены от ударов и не боятся больших нагрузок.

    Эта идея уже реализована. «Солнечная» дорога обеспечивает энергией окрестные деревни, при этом не занимая ни одного лишнего метра земли.

    Особенности применения гибких аморфных панелей

    Те, кто планирует начинать использование гибких солнечных панелей в качестве источника электроэнергии для своего дома, должны знать особенности их эксплуатации.

    Прежде всего пользователей волнует вопрос, а что делать зимой, когда световой день короткий и электричества не хватит на функционирование всех приборов?

    Да, в условиях пасмурной погоды и короткого светового дня производительность панелей снижается. Хорошо, когда есть альтернатива в виде возможности переключения на централизованное электроснабжение. Если ее нет, нужно запасаться аккумуляторами и заряжать их в те дни, когда погода благоприятная.

    Интересная особенность солнечных батарей заключается в том, что при нагревании фотоэлемента его эффективность существенно снижается.

    Число ясных дней в году зависит от региона. Разумеется, на юге использовать гибкие батареи рациональнее, поскольку солнце там светит дольше и чаще.

    Так как в течение дня Земля меняет свое положение относительно Солнца, панели лучше располагать универсально – то есть с южной стороны под углом около 35-40 градусов. Такое положение будет актуальным как в утренние и вечерние часы, так и в полдень.

    Инструкция по монтажу солнечных батарей на крыше

    Если вы решили, что гибкие солнечные батареи на основе аморфного кремния – это то, что вам нужно для обеспечения электричеством частного дома, приступайте к планированию работ.

    Подберите подходящее оборудование и прикиньте примерное количество панелей. Затем ознакомьтесь с правилами монтажа и последующего обслуживания солнечных элементов.

    Но помните, что использование традиционных кремниевых поли- и монокристаллических аналогов пока гораздо продуктивнее.

    Шаг #1. Расчет количества панелей

    Любые работы начинаются с проекта. Для проектирования нужно сделать необходимые расчёты, а именно:

    • суточное потребление электроэнергии;
    • суммарную необходимую мощность фотоэлементов;
    • емкость аккумуляторов;
    • количество панелей.

    Самое простое – посчитать потребление электроэнергии. Для этого нужно учесть абсолютно все без исключения электроприборы, которые вы используете или теоретически можете использовать. Простой пример:

    • холодильник – 200 Вт;
    • компьютер — 300 Вт;
    • телевизор – 150 Вт;
    • лампочки экономные – 5 штук по 20 Вт.

    Мощность каждого прибора обязательно указывается в его документации или на корпусе. После сложения всех данных получаем 750 Вт. Исходя из этого значения подбирается инвертор – прибор, преобразующий постоянный ток в переменный с нужной частотой.

    Обязательно сделайте небольшой запас и выберите инвертор на 0,5 кВт мощнее расчётного значения. То есть для суммарной мощности 0,75 кВт подойдет прибор не слабее 1,25 кВт

    После необходимо подобрать аккумуляторные батареи. Емкость аккумулятора (например, 200 А∙ч) показывает, ток какой силы будет выдаваться при заданном напряжении в течение часа.

    Посчитать нужную емкость можно, разделив суммарную мощность потребителей на выходное напряжение солнечной батареи. В нашем примере используем 12-ти вольтовые аккумуляторы. 750 /12 = 62,5 А∙ч.

    Но подобная формула не совсем верна, поскольку большинство батарей нельзя разряжать до 0. Есть определенное ограничение, например 40%. Если уровень заряда опускается ниже, это существенно сказывается на сроке службы и качестве работы аккумулятора. Этот показатель тоже нужно добавить в формулу:

    750 Вт/(12Вх0,4)=156,25 А∙ч.

    Чтобы добиться такой емкости, можно объединить в систему группу из 2 батарей по 100 А∙ч каждая.

    Количество панелей рассчитывается исходя из мощности выбранной модели и региона, в котором они будут установлены. Значение региона сложно переоценить.

    В идеале нужно найти значения дневного уровня солнечной радиации для вашей местности. Для достоверности берется минимальное значение за год, ориентировочно – в конце декабря.

    Умножив этот показатель на количество календарных дней месяца, получаем количество киловатт, которое приходится на 1 м2 гибкой солнечной батареи за декабрь. Для примера, в Москве это 0,33х31=10,23 кВт/м2, а для Сочи – 1,25х31=38,75 кВт/м2. Этот показатель называется количеством пикочасов.

    Затем из условных максимальных 0,75 кВт, потребляемых всеми приборами одновременно, высчитываем среднемесячное потребление – около 25 кВт. За месяц наши гибкие батареи должны выработать не меньше 25 000 Вт, а лучше сделать небольшой запас и округлить до 30 кВт.

    Следовательно, на 1 пикочас в Москве должно получаться 30/10,23 = 2,93 кВт. Если выбранные панели обладают мощностью 150 Вт, то посчитать их количество не трудно: 2,93/0,15= 20 штук.

    После таких нехитрых расчетов вы сможете подобрать подходящий инвертор, контроллер, аккумулятор и сами гибкие фотоэлектрические панели в нужном количестве.

    Шаг #2. Правила монтажа

    Установка гибких солнечных элементов может быть осуществлена вами самостоятельно. Для этого стоит определиться, где именно вы расположите свои панели:

    • на крыше здания;
    • на фасаде дома;
    • на отдельно стоящей конструкции;
    • комбинированная схема.

    Самый популярный вариант – на крыше. Если форма или конфигурация кровли не позволяет этого сделать, лучше построить дополнительный каркас, на котором разместить батареи. Это более затратно, но, если крыша затенена или труднодоступна, этот вариант становится рациональным.

    Гибкие солнечные фотоэлектрические элементы с нижней стороны имеют липкий смолянистый слой. Достаточно снять защитную пленку и приклеить панель в выбранном месте. Разумеется, перед монтажом поверхность нужно очистить и вымыть.

    С одной стороны модуль солнечной батареи имеет 2 выведенных кабеля. Каждая панель располагается так, чтобы эти провода можно было в последствии объединить одной шиной для последовательного подключения.

    Шаг #3. Уход за системой после установки

    После установки гибких солнечных элементов за ними нужно будет постоянно ухаживать и следить, иначе их эффективность может резко снизиться. Главное – содержать панели в чистоте.

    Пыль, грязь, птичий помет – все эти факторы снижают производительность системы, поскольку ограничивают поглощение солнечного света фотоэлементами.

    Солнечные батареи нужно протирать по мере загрязнения. Именно поэтому размещать их в труднодоступных местах на сложной кровле не рекомендуют.

    Если ваша система не может обслуживаться вами самостоятельно, всегда можно найти исполнителя с соответствующей техникой и оборудованием. Разумеется, это будет стоит дороже.

    Еще одна проблема, актуальная для наших регионов – снег. В зимнее время батареи засыпаются снегом и перестают функционировать. Осадки нужно постоянно счищать, но не слишком грубо, иначе можно повредить само оборудование.

    Выводы и полезное видео по теме

    Видеоролики и обзоры, в которых рассматриваются гибкие панели популярных производителей, помогут сделать правильный выбор. Вы сможете увидеть, как будет выглядеть ваш дом после монтажа оборудования, специалисты помогут подобрать нужное количество батарей и рассмотрят правила установки.

    Как устроены гибкие солнечные батареи и из чего их изготавливают:

    Устанавливать гибкую батарею можно и в квартире на фасаде многоэтажки, почему бы и нет:

    Еще немного о производстве и преимуществах гибких элементов:

    Солнечные батареи дают возможность стать энергонезависимым, не мониторить цены на бензин и коммунальные услуги. Если вложить определенную сумму один раз, вы сможете неограниченно потреблять энергию для пользования бытовыми электроприборами и подзарядки аккумулятора электромобиля. Все больше людей переходят на альтернативную энергию, потому что за ней – будущее.

    Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

    О том, что с помощью солнечных батарей можно получать энергию и использовать ее в бытовых нуждах, известно не каждому. Такой способ получения электроэнергии не является особо распространенным, но с каждым годом набирает популярность. При наличии большого солнечного массива можно обеспечить током не только частный дом, но и промышленный объект. Принцип работы солнечной батареи довольно прост, поэтому нет никаких преград, чтобы воспользоваться такой возможностью получения экологичной энергии для личных целей.

    Что такое солнечная батарея

    Солнечными батареями можно обеспечить полное функционирование дома или другого объекта без привлечения дополнительного источника электроэнергии. Они считаются не только экологически чистыми, но и самыми эффективными при выработке энергии. Суть данного устройства заключается в специальных модулях-фотоэлементах, которые захватывают солнечную энергию и при помощи полупроводниковых устройств преобразовывают ее в ток.

    Одна батарея содержит 36 элементов и представлена в виде прямоугольника размером с шифер. Есть, конечно, и другие вариации, но такой пример является наиболее популярным. Все модули покрываются пленкой или стеклом и между собой соединены, благодаря чему через эти дорожки ток поступает в инвертор, который на выходе дает нам привычную электроэнергию, которую можно использовать в любых целях.

    Устройство батареи

    Сегодня нет проблем, чтобы выбрать солнечную батарею. Товары в ассортименте отличаются устройством модуля, способом его работы и технологией производства.

    Панели с кремниевыми фотоэлементами

    Согласно названию, для таких панелей используется кремний, а если быть точнее, они изготавливаются на основе амфорного кремния. Этот вид модулей относится к тонкопленочным солнечным батареям. Это очень прочный и надежный материал, который может прослужить более 25 лет. Такой вид кремния образуется под раскаленным паром, благодаря чему кристаллам можно придать разную форму и размер. Однако процесс производства достаточно сложный, что не может не сказываться на цене изделия.

    Батареи с кремниевым покрытием существуют в двух вариантах:

    Монокристаллические

    Относятся к дорогостоящим солнечным батареям, так как изготавливаются по особому принципу выращивания кристаллов, на что уходит много времени и сил. Монокристаллические панели представляют собой решетки из множества квадратов с немного подрезанными углами. Такие солнечные модули отличаются не только высоким качеством, но и максимальной производительностью. Они работают даже при сильно низкой температуре, занимают мало места и при этом их КПД не снижается. Владельцы кремниевых монокристаллических солнечных батарей отмечают длительность их использования – до 30 лет.

    Поликристаллические

    Главное отличие поликристаллических заключается в том, что они производятся с применением дешевого сырья, чаще всего это продукты переработки монокристаллических панелей. Для них не нужно выращивать кристаллы и сама технология более упрощенная. Но несмотря на это, они неплохо проявили себя в работе и могут использоваться даже при критически высоких и низких температурах.

    Тонкопленочные панели

    Суть тонкопленочных панелей заключается в особом производстве, где полупроводники наносятся непосредственно на пленку. В качестве полупроводников выступает сплавы меди-индия, теллурида кадмия и селенида. Они существенно отличаются от обычных солнечных батарей наличием панели-пленки, их можно скручивать и тем самым использовать на любой местности. Некоторые клеят их на внешнюю сторону окна, тем самым защищая дом от солнечных лучей и при этом получая небольшую порцию энергии. Ключевое слово здесь – небольшую. Тонкопленочные полупрозрачные панели отличаются низким КПД, то есть обеспечить электричеством весь дом не смогут даже при масштабном использовании. Из дополнительных преимуществ можно выделить маленький вес, простой способ монтажа и невысокую цену.

    Концентраторные модули

    Концентраторные солнечные батареи считаются самыми эффективными и наряду с этим самыми дорогими. У них наивысший процент фотоэлектрического преобразования, а все потому, что они состоят из многослойной структуры, которая отличается составом полупроводников. Самой успешной по действию признана трехслойная структура. Принципы работы ее в поглощении солнечного излучения по всей длине волн и во всем диапазоне. Подобного эффекта не имеют никакие другие солнечные батареи. Но они сложны в производстве и дороги, поэтому не особо популярны.

    Органические батареи

    В батареи органического типа включены элементы, которые состоят из органических полимеров, отсюда и такое название. Это гибкая батарея, которая производится в любых размерах и печатается на пластике с помощью принтера. Суть технологии напрямую сказывается на производительности панели. Процент КПД у них достаточно низкий, зато они отличаются низкой ценой и экологической функцией. Они могут быть выполнены в любой удобной форме и размере, при этом с полным сохранением желаемой текстуры пластика. Некоторые такой вариант используют и как декор частного дома, и как подпитку электроэнергией.

    Принцип работы солнечных панелей

    Принцип работы

    Теперь подробнее о работе солнечной батареи. Она состоит из двух пластин, изготовленных из кремния и покрытых с одной стороны бором, а с другой фосфором. Там, где батарея покрыта бором, частицы отсутствуют. Под действием солнечного света в пластине с фосфором появляются свободные электроны, которые начинаются перемещаться и создавать энергию. Чем больше солнечная радиация, тем больше энергии вырабатывается. Наибольшая эффективность зафиксирована при перпендикулярном попадании лучей.

    Важным моментом является отведение заряженных частиц по назначению. Данная миссия возложена на тонкие жилы из меди, которые выступают своего рода соединяющим элементом. По этим медным путям энергия попадает в подсоединенный аккумулятор. Он собирает достаточное количество энергии и направляет его в инвертор, где постоянный ток от солнечного света преобразовывается в переменный с нужным напряжением для обеспечения бытовых потребностей (220В). С помощью одной пластины можно питать лампочку, но для поддержания всего дома потребуется купить не одну солнечную батарею с высокой мощностью.

    Схема электропитания дома от солнца

    Если вы хотите пользоваться солнечными батареями для обеспечения своего дома экологичным видом электроэнергии, то вы должны знать, как работает система и что от вас потребуется. Итак, схема электропитания включает в себя следующий набор обязательных устройств:

    • Солнечные батареи
    • Аккумулятор
    • Контроллер
    • Инвертор

    Суть солнечных батарей мы уже определили, а вот зачем нужно остальное оборудование? Аккумулятор позволяет собирать необходимое количество энергии и сохранять ее с целью использования в темное время суток или в пасмурные дни, когда солнечной радиации недостаточно для удовлетворения электрических потребностей. Контроллер не является обязательной частью, но с его помощью можно обезопасить батарею и аккумулятор от перепадов напряжения, а также полного разряжения. Такое решение позволяет сохранить срок службы солнечной системы.

    Осталось разораться с инвертором. Без него вы не сможете использовать полученную энергию от солнца по назначению. Инвертор позволяет преобразовать постоянный солнечный ток в переменный с повышенным показателем напряжения сети. То есть, так как батареи выпускаются мощностью 12В, 24В и 48В, то инвертор путем трансформации «перерабатывает» его в привычные 220В. Лучше всего отдавать предпочтение трехфазным синусоидным инверторам. Они отличаются высокой надежностью и работой даже при самых низких температурах.

    Принцип работы и строение солнечных батарей

    Бесплатную и бесконечную солнечную энергию люди используют для электроснабжения своих домов и предприятий. Принцип работы солнечной батареи таков, что сегодня нельзя рассчитывать на высокий уровень КПД. Однако в мире существует множество объектов, которые обеспечивают себя электроэнергией исключительно с помощью солнечных панелей.

    Понятие солнечной энергетики

    Солнечная энергетика — это тематика, в которой имеется очень много неразберихи и нюансов. Попытки разобраться в ней часто вызывают трудности у новичков и людей, далёких от техники. Но без понимания принципа действия солнечных батарей не получится выжать максимальный КПД. В этом случае приобретение оборудования бессмысленно, ведь можно выбрать не ту модель или попросту сжечь технику.

    Чтобы избежать неприятных последствий, нужно разобраться с разновидностями оборудования для получения энергии от солнечных лучей. Существует два типа устройств, имеющих принципиальные различия между собой. Солнечные батареи используются для преобразования фотонов в электрическую энергию. Коллекторы применяются для получения тепловой энергии.

    Также нужно разобраться с самим понятием солнечной батареи. Слово «батарея» подразумевает какое-либо накопительное устройство, но это не совсем так. Солнечная батарея используется только для выработки электроэнергии. В течение дня электрическая энергия накапливается в аккумулирующих устройствах для обеспечения дома в ночное время.

    Из данного видео узнаем как устроена солнечная батарея:

    Устройство гелиобатареи

    С каждым годом оборудование для преобразования солнечной энергии в электрическую становится всё доступнее и дешевле. Сегодня существуют не только стационарные панели для обеспечения электроэнергией домов и хозяйственных построек, но и портативные. Они используются туристами для зарядки телефонов, фонариков и других устройств. Солнечные панели устанавливают на электрические автомобили. Также они используются на космических спутниках. Из таких батарей даже начали строить полномасштабные электростанции.

    Строение солнечной батареи подразумевает блок, состоящий из какого-либо количества модулей — полупроводниковых фотоэлементов, соединённых между собой последовательно. Чтобы выяснить принцип работы солнечных панелей, нужно понять действие конечного элемента всего устройства.

    Вариантов фотоэлементов, сделанных из разных химических соединений, существует очень много, но основная часть сейчас находится на этапе разработки. В большом количестве сегодня производятся только фотоэлементы из кремния.

    Фотоэлемент состоит из двух слоёв кремния, каждый из которых имеет различные физические свойства. Во время попадания солнечных лучей на фотоэлемент между двумя слоями появляется вентильная фото-ЭДС. Из-за этого появляется разность потенциалов и возникает электрический ток. Различаются солнечные батареи по принципу производства на:

    • поликристаллические;
    • монокристаллические.

    У монокристаллических моделей КПД больше, но и стоимость их производства выше по сравнению с поликристаллическими устройствами. Оба вида отличаются между собой по внешним признакам. Монокристаллы имеют однородную структуру. Они представляют собой квадраты, имеющие срезанные углы. У поликристаллов правильная квадратная форма.

    Солнечные батареи – удовольствие не из дешевых, однако в будущем они помогут сэкономить вам деньги

    Поликристаллические фотоэлементы производят методом плавного остывания расплавленного кремния. Это довольно простая технология, поэтому себестоимость такого материала относительно низкая. Но КПД поликристаллов составляет не больше 15%. Кремниевые пластины, произведённые по такой технологии, получаются неоднородной структуры и с примесями.

    Внешняя сторона фотоэлемента, на которую попадает солнце, изготавливается из кремния и фосфора. Именно фосфор производит избыточные электроны, благодаря которым получается разность потенциалов.

    Принцип работы

    Фотоны попадают на кремниевую пластину, в которой появляются неравновесные пары. Часть появившихся зарядов переходит из одного кремниевого слоя в другой. Из-за этого образуется напряжение на всех участках цепи. На одном слое образуется положительный заряд, на другом — отрицательный.

    Подключение аккумулятора производится в виде внешней нагрузки. Он образует с фотоэлементами замкнутую цепь. Электроны в солнечной панели движутся по кругу, в результате чего аккумулятор постепенно заряжается.

    Фотоэлементы, применяемые повсюду, являются однопереходными. Это значит, что электроны движутся всего через один переход и имеют ограниченную зону, то есть для генерации электричества используется только часть всего излучаемого спектра. Именно поэтому у гелиобатарей довольно низкая энергоэффективность.

    Для повышения коэффициента полезного действия батарей кремниевые составляющие начали изготавливать каскадными и имеющими много переходов. Новые солнечные панели снабжены несколькими ходами, каждый из которых предназначен для своего конкретного спектра. Но такие батареи стоят намного дороже.

    Во время работы всё устройство медленно нагревается. Энергия, которая не перешла в электрический ток, трансформируется в тепловую. Температура поверхности батареи может составлять от +50 до +55°С. Чем сильнее разогревается фотоэлемент, тем хуже он работает.

    В жаркий летний день панель способна генерировать электроэнергии меньше, чем зимой. Наибольший КПД можно зафиксировать в солнечный зимний день: естественное охлаждение не даёт фотоэлементам перегреваться.

    Эффективность устройства

    Единичный фотоэлемент даже в самую ясную погоду выдаёт слишком мало электроэнергии. Его мощности будет хватать только на светодиоды. Для увеличения мощности объединяют несколько таких элементов в параллельную цепь. Это усиливает напряжение. Повышение силы тока осуществляется за счёт последовательных соединений. Эффективность батарей зависит от:

    • силы светового потока;
    • температуры панели;
    • угла падения света;
    • наличия антиотражающего покрытия.

    Чем холоднее вокруг, тем эффективнее функционирует всё оборудование. Также для поддержания максимального КПД необходимо установить контроллер. Он автоматически подстраивает гелиопанель и настраивает оптимальный режим работы в зависимости от выдаваемого тока.

    Для получения максимальной отдачи батареи нужно подобрать правильный угол падения лучей. Идеальный угол — прямой. Отклонение от перпендикуляра в пределах 30° практически не оказывает влияния на энергоэффективность оборудования.

    Также нужно обратить внимание на то, что пыль и любые загрязнения очень понижают производительность фотоэлементов. Множество фотонов просто не могут пройти сквозь грязь, поэтому фотоэлементам нечего перерабатывать в электроэнергию. Поверхности батарей необходимо регулярно мыть.

    В некоторых моделях фотонных батарей встроены линзы для фокусирования света на фотоэлемент. Это значительно повышает КПД, но только в ясную погоду. В пасмурный день такие модели практически полностью перестают вырабатывать электричество. Обычные панели в такой ситуации продолжили бы работать.

    Схема электропитания

    В цепь солнечного электроснабжения дома входит несколько элементов. Каждый из них выполняет свою функцию и должен присутствовать в системе. Электропитание от гелиобатареи включает такие устройства:

    Контроллер выполняет защитную функцию как для панелей, так и для аккумуляторов. Он не даёт проходить обратным токам ночью и в облачную погоду, а также защищает АКБ от полной разрядки или чрезмерной зарядки.

    Инвертор трансформирует постоянный ток в переменный. Из 12 Вт или 24 Вт получается 220 Вт. Не стоит включать в систему автомобильные аккумуляторы, так как они не способны переносить постоянные заряды и разряды. Лучше всего для этой цели использовать специализированные аккумуляторы.

    Объясняем как работает солнечная батарея

    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.

    Принцип работы солнечной батареи

    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.

    1. Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций.
    2. Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.
    3. Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной.
    4. 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.

    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.

    Rак устроена солнечная панель?

    Эффективное преобразование бесплатных лучей солнца в энергию, которую можно использовать для электроснабжения жилья и иных объектов, – заветная мечта многих апологетов зеленой энергетики.

    Но принцип работы солнечной батареи, и ее КПД таковы, что о высокой эффективности таких систем пока говорить не приходится.

    Было бы неплохо обзавестись собственным дополнительным источником электроэнергии.

    Не так ли? Тем более что уже сегодня и в России с помощью гелиопанелей “дармовой” электроэнергией успешно снабжается немалое количество частных домохозяйств. Вы все еще не знаете с чего начать?

    Ниже мы расскажем вам об устройстве и принципах работы солнечной панели, вы узнаете, от чего зависит эффективность гелиосистемы. А размещенные в статье видеоролики помогут собственноручно собрать солнечную панель из фотоэлементов.

    Солнечные батареи: терминология

    В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.

    • По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.
    • Максимум отдачи от солнечной панели можно будет получить, только зная, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как все это правильно подключается

    Вначале следует разобраться в существующих разновидностях оборудования для гелиоэнергетики. Солнечные батареи и солнечные коллекторы – это два принципиально разных устройства. Оба они преобразуют энергию лучей солнца.

    Однако в первом случае на выходе потребитель получает энергию электрическую, а во втором тепловую в виде нагретого теплоносителя, т.е. солнечные панели используют для отопления дома.

    Второй нюанс – это понятие самого термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается некое аккумулирующее электроэнергию устройство. Либо на ум приходит банальный отопительный радиатор. Однако в случае с гелиобатареями ситуация кардинально иная. Они ничего в себе не накапливают.

    1. Солнечной панелью генерируется постоянный электроток.
    2. Чтобы преобразовать его в переменный (используемый в быту), в схеме должен присутствовать инвертор
    3. Солнечные батареи предназначены исключительно для генерации электрического тока.
    4. Он, в свою очередь, накапливается для снабжения дома электричеством ночью, когда солнце опускается за горизонт, уже в присутствующих дополнительно в схеме энергообеспечения объекта аккумуляторах.

    Батарея здесь подразумевается в контексте некой совокупности однотипных компонентов, собранных в нечто единое целое. Фактически это просто панель из нескольких одинаковых фотоэлементов.

    Внутреннее устройство гелиобатареи

    Постепенно солнечные батареи становятся все дешевле и эффективней. Сейчас они применяются для подзарядки аккумуляторов в уличных фонарях, смартфонах, электроавтомобилях, частных домах и на спутниках в космосе. Из них стали даже строить полноценные солнечные электростанции (СЭС) с большими объемами генерации.

    Гелиобатарея состоит из множества фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей ФЭП), преобразующих энергию фотонов с солнца в электроэнергию

    Каждая солнечная батарея устроена как блок из энного количества модулей, которые объединяют в себе последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Чтобы понять принципы функционирования такой батареи, необходимо разобраться в работе этого конечного звена в устройстве гелиопанели, созданного на базе полупроводников.

    Виды кристаллов фотоэлементов

    Вариантов ФЭП из разных химических элементов существует огромное количество. Однако большая их часть – это разработки на начальных стадиях. В промышленных масштабах сейчас выпускаются пока что только панели из фотоэлементов на основе кремния.

    Кремниевые полупроводники используются при изготовлении солнечных батарей из-за своей дешевизны, особо высоким КПД они похвастаться не могут

    Обычный фотоэлемент в гелиопанели – это тонкая пластина из двух слоев кремния, каждый из которых имеет свои физические свойства. Это классический полупроводниковый p-n-переход с электронно-дырочными парами.

    При попадании на ФЭП фотонов между этими слоями полупроводника из-за неоднородности кристалла образуется вентильная фото-ЭДС, в результате чего возникает разность потенциалов и ток электронов.

    Кремниевые пластины фотоэлементов различаются по технологии изготовления на:

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

    У монокристаллических ФЭП однородная структура, они выполняются в виде квадратов со срезанными углами. В отличие от них поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму.

    Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого.

    Но производительность в плане выработки электроэнергии из солнечных лучей у них редко превышает 15%. Связано это с “нечистотой” получаемых кремниевых пластин и внутренней их структурой. Здесь чем чище p-слой кремния, тем более высокий выходит КПД у ФЭП из него.

    Чистота монокристаллов в этом отношении гораздо выше, нежели у поликристаллических аналогов. Их делают не из расплавленного, а из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования у таких ФЭП уже достигает 20-22%.

    В общий модуль отдельные фотоэлементы собираются на алюминиевой раме, а для защиты их сверху закрывают прочным стеклом, которое нисколько не препятствует солнечным лучам

    Обращенный к солнцу верхний слой пластинки-фотоэлемента делается из того же кремния, но уже с добавлением фосфора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

    Принцип работы солнечной панели

    При падении солнечных лучей на фотоэлемент в нем генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и «дырки» частично переносятся через p-n-переход из одного слоя полупроводника в другой.

    В итоге во внешней цепи появляется напряжение. При этом на контакте p-слоя формируется положительный полюс источника тока, а на n-слоя – отрицательный.

    Разность потенциалов (напряжение) между контактами фотоэлемента появляется из-за изменения числа «дырок» и электронов с разных сторон p-n-перехода в результате облучения n-слоя солнечными лучами

    Подключенные к внешней нагрузке в виде аккумулятора фотоэлементы образуют с ним замкнутый круг. В результате солнечная панель работает, как своеобразное колесо, по которому вместе белки “бегают” электроны. А аккумуляторная батарея при этом постепенно набирает заряд.

    Стандартные кремниевые фотоэлектрические преобразователи являются однопереходными элементами. Переток в них электронов происходит только через один p-n-переход с ограниченной по энергетике фотонов зоной этого перехода.

    То есть каждый такой фотоэлемент способен генерировать электроэнергию только от узкого спектра солнечного излучения. Вся остальная энергия пропадает впустую. Поэтому-то и эффективность у ФЭП так низка.

    Чтобы повысить КПД солнечных батарей, кремниевые полупроводниковые элементы для них в последнее время стали делать многопереходными (каскадными). В новых ФЭП переходов уже несколько. Причем каждый из них в этом каскаде рассчитан на свой спектр солнечных лучей.

    • Суммарная эффективность преобразования фотонов в электроток у таких фотоэлементов в итоге возрастает. Но и цена их значительно выше. Здесь либо простота изготовления с невысокой себестоимостью и низким КПД, либо более высокая отдача вкупе с высокой стоимостью.
    • Солнечная батарея может работать как летом, так и зимой (ей нужен свет, а не тепло) – чем меньше облачность и ярче светит солнце, тем больше гелиопанель сгенерирует электрического тока
    • При работе фотоэлемент и вся батарея постепенно греется. Вся та энергия, что не пошла на генерацию электротока, трансформируется в тепло.
    • Часто температура на поверхности гелиопанели поднимается до 50–55 °С. Но чем она выше, тем менее эффективно работает фотогальванический элемент.

    В итоге одна и та же модель солнечной батареи в жару генерирует тока меньше, нежели в мороз. Максимум КПД фотоэлементы показывают в ясный зимний день. Тут сказываются два фактора – много солнца и естественное охлаждение.

    При этом если на панель будет падать снег, то электроэнергию она генерировать все равно продолжит. Более того, снежинки даже не успеют на ней особо полежать, растаяв от тепла нагретых фотоэлементов.

    Эффективность батарей гелиосистемы

    Один фотоэлемент даже в полдень при ясной погоде выдает совсем немного электроэнергии, достаточной разве что для работы светодиодного фонарика.

    Чтобы повысить выходную мощность, несколько ФЭП объединяют по параллельной схеме для увеличения постоянного напряжения и по последовательной для повышения силы тока.

    Эффективность солнечных панелей зависит от:

    1. температуры воздуха и самой батареи;
    2. правильности подбора сопротивления нагрузки;
    3. угла падения солнечных лучей;
    4. наличия/отсутствия антибликового покрытия;
    5. мощности светового потока.

    Чем ниже температура на улице, тем эффективней работают фотоэлементы и гелиобатарея в целом. Здесь все просто. А вот с расчетом нагрузки ситуация сложнее. Ее следует подбирать исходя из выдаваемого панелью тока. Но его величина меняется в зависимости от погодных факторов.

    Гелиопанели выпускаются с расчетом на выходное напряжение, кратное 12 В – если на аккумулятор надо подать 24 В, то две панели к нему придется подсоединить параллельно

    Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться контроллером управления, который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.

    Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею – прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.

    Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени.

    Для московского региона – это приблизительно 40–45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.

    И еще один момент – пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую “грязную” преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно.

    Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред.

    Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.

    Солнце батарею из фотоэлементов в идеале должно освещать равномерно. Если один из ее участков оказывается затемненным, то неосвещенные ФЭП превращаются в паразитную нагрузку. Они не только в подобной ситуации не генерируют энергию, но еще и забирают ее у работающих элементов.

    Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.

    Схема электропитания дома от солнца

    Система солнечного электроснабжения включает:

    1. Гелиопанели.
    2. Контроллер.
    3. Аккумуляторы.
    4. Инвертор (трансформатор).

    Контроллер в этой схеме защищает как солнечные батареи, так и АКБ. С одной стороны он препятствует протеканию обратных токов по ночам и в пасмурную погоду, а с другой – защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.

    Аккумуляторные батареи для гелиопанелей следует подбирать одинаковые по возрасту и емкости, иначе зарядка/разрядка будут происходить неравномерно, что приведет к резкому снижению срока их службы

    Для трансформации постоянного тока на 12, 24 либо 48 Вольта в переменный 220-вольтовый нужен инвертор. Автомобильные аккумуляторы применять в такой схеме не рекомендуется из-за их неспособности выдерживать частые перезарядки. Лучше всего потратиться и приобрести специальные гелиевые AGM либо заливные OPzS АКБ.

    Выводы и полезное видео по теме

    Принципы работы и схемы подключения солнечных батарей не слишком сложны для понимания. А с собранными нами ниже видеоматериалами разобраться во всех тонкостях функционирования и установки гелиопанелей будет еще проще.

    Каждый элемент в системе солнечного электроснабжения коттеджа должен быть подобран грамотно. Неизбежные потери мощности происходят на аккумуляторах, трансформаторах и контроллере. И их обязательно надо сократить до минимума, иначе и так достаточно низкая эффективность гелиопанелей окажется сведена вообще к нулю.

    В ходе изучения материала появились вопросы? Или вы знаете ценную информацию по теме статьи и можете сообщить ее нашим читателям? Пожалуйста, оставляйте свои комментарии в расположенном ниже блоке.

    Солнечная батарея – принцип работы

    Дорого отапливать дом газом? Или у вас на даче постоянно отключают свет? А может быть вы устали переплачивать за электроэнергию? Вам поможет установка солнечной батареи, которая обеспечит вас не только электричеством, но и отоплением. В этой статье мы рассмотрим принцип работы солнечной батареи, и ее отличия от солнечного коллектора.

    В чем суть работы солнечной батареи?

    Солнечная батарея, она же фотобатарея, представляет собой фотопластину, изменяющую под воздействием солнечных лучей проводимость в отдельных своих участках.

    Это позволяет преобразовать энергию этих переходов в электрическую, которая либо используется сразу, либо накапливается.
    Для того, чтобы понять принцип работы солнечной батареи, необходимо знать несколько моментов:

    1. Солнечная батарея представляет собой систему фотоэлектрических преобразователей, которые соединены друг с другом в заданной последовательности.
    2. В структуру фотопреобразователей входит два слоя, отличающихся между собой типом проводимости: n и p.
    3. Основой для изготовления фотопреобразователей служит кремний.
    4. В слое n-типа к кремнию добавлен фосфор; в результате их взаимодействия образуется избыток отрицательно заряженных электронов.
    5. В слое р-типа к кремнию добавлен бор, в результате чего образуются так называемые «дыры», которые вызваны дефицитом в слое отрицательных зарядов.
    6. Оба слоя размещаются между разнозаряженными электродами

    Итак, как же работает солнечная батарея?

    На отрицательно заряженную панель падает солнечный свет. Он вызывает активное образование дополнительных отрицательных зарядов и «дырок». Под воздействием электрического поля, которое присутствует в p-n переходе, происходит разделение положительно и отрицательно заряженных частиц.

    Первые направляются в верхний слой, а вторые в нижний. Таким образом, появляется разность потенциалов, иными словами, постоянное напряжение (U). Исходя из этого видно, что один фотопреобразователь работает по принципу батарейки. И в случае, когда к нему подсоединяется нагрузка, в цепи возникает ток.

    Сила тока будет зависеть от таких параметров, как:

    • уровень инсоляции;
    • размер фотопреобразователя;
    • тип фотоэлемента;
    • общего сопротивления приборов, подключенных к солнечной батарее.

    Типы солнечных батарей

    Выделяют несколько типов солнечных батарей: поли- и монокристаллические, а также аморфные. Монокристаллические являются наименее продуктивными, но при этом самыми недорогими. В связи с этим их использование оправдано в качестве дополнительных источник энергии на случай отключения централизованной подачи электроэнергии.

    Поликристаллы занимают промежуточные позиции по этим двум параметрам, в связи с чем могут быть использованы в отдаленных районах, лишенных централизованной подачи электроэнергии.

    Аморфные солнечные батареи отличаются высокой эффективностью, однако и очень высокой стоимостью. В их основу входит аморфный кремний.

    Данные разработки еще не вышли на промышленный уровень и находятся на экспериментальной стадии.

    Зачем нужен контроллер в солнечной батарее?

    Солнечные батареи, принцип работы которых был описан выше, не смогли бы эффективно заменить системы центральной подачи электроэнергии, если бы не были оснащены контроллерами, способными контролировать степень заряда солнечной батареи.

    Контролеры позволяют перераспределять энергию, полученную от солнечных батарей, направляя ее при необходимости напрямую к источнику потребления, либо сохраняя ее в аккумуляторе.
    Выделяют несколько типов контроллеров солнечных батарей, отличающихся между собой степенью увеличения общей эффективности системы солнечных батарей.

    Садовые фонари на солнечных батареях

    Для того, чтобы приобщиться к использованию альтернативных источников энергии, вовсе не обязательно приобретать дорогостоящую солнечную батарею. Есть более доступные примеры использования солнечной энергии для получения электрической. Речь идет о популярных в настоящее время садовых фонарях на солнечных батареях.

    Такие фонарики позволяют освещать приусадебный участок в темное время суток, не затрачивая на это дополнительную электроэнергию.

    Принцип работы таких фонарей заключается в том, что посредством фитопластины, вмонтированной в верхнюю часть фонарика, происходит улавливание и преобразование солнечной энергии, которая аккумулируется в небольшой батарее, расположенной в основании фонарика. Расход накопившейся энергии происходит в темное время суток.

    Солнечная батарея: устройство и принцип работы

    Совсем недавно, когда мы ещё ходили в школу, солнечная батарея для выработки электричества казалась чем-то фантастическим. Нам казалось, что их можно использовать только на космических кораблях.

    Но прошло 20─25 лет и солнечные батарейки не только появились в часах и калькуляторах, но и уже способны обеспечивать электроэнергией частные дома и дачи. А современные солнечные электростанции могут обеспечивать электроэнергией небольшие городки.

    Широкое распространение солнечные батареи получили европейских странах, США, Израиле и других регионах с высокой солнечной инсоляцией. И их использование уже даёт существенную экономию электроэнергии и горячего водоснабжения.

    Что потребуется для преобразования солнечной энергии?

    Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую и электрическую. Самые первые шаги в использовании энергии солнца человек сделал именно в направлении получения тепла. Можно сказать, что в этом случае и преобразования нет. Принцип работы прост. Он заключается в сборе солнечного тепла.

    Поэтому и устройства для этого называются солнечные коллекторы. Принцип работы таких установок заключается в сборе тепла с помощью абсорбера и передачи его теплоносителю. В качестве последнего выступает вода или воздух. Такие установки часто используются для отопления и горячего водоснабжения частных домов.

    Растения на нашей планете уже миллионы лет преобразуют солнечную энергию химических связей. В результате этого процесса, называемого фотосинтезом, получается глюкоза. Принцип работы фотосинтеза человеку известен уже давно. Подробнее о том, как организмы используют солнечную энергию, читайте по указанной ссылке.

    • Монокристаллические;
    • Поликристаллические;
    • Аморфные.

    Фотоэлектрические панели из монокристаллов кремния считаются наиболее эффективными и имеющими высокий КПД. Фотоэлементы из поликристаллического кремния стоят дешевле и имеют самую низкую стоимость получения ватта электроэнергии. Есть также фотоэлектрические элементы на базе аморфного кремния. Из них делают гибкие солнечные панели.

    Выпускаются они из аморфного кремния. Производство таких элементов проще, чем моно и поликристаллов. В результате цена ниже, но КПД оставляют желать лучшего (5─6%). Кроме того, панели из аморфного кремния имеют меньший срок службы, чем предыдущие два типа.

    Фотоэлектрические элементы объединяются в солнечную батарею. Как правило, число фотоэлементов в батарее кратно 36, но есть и другие варианты. Помимо солнечной батареи в состав гелиосистем входят и другие устройства для того, чтобы накапливать и распределять электроэнергию. В частности, это:

    • Аккумулятор (один или несколько);
    • Инвертор (преобразует напряжение из 12 или 24 в 220 вольт);
    • Контроллер для управления зарядом-разрядом аккумулятора и подачи питания в сеть.

    По назначению можно выделить две большие группы устройств. Солнечные батареи малой мощности (до десяти ватт) применяются в мобильных гаджетах или power bank для зарядки. Системы больше мощности используются для электрификации частных домов и дач.

    Они обычно располагаются на крышах и фасадах домов, реже на участках рядом с домом. Есть устройства, которые позволяют отслеживать солнце и менять угол наклона в зависимости от его положения.

    Как работает солнечная батарея?

    Солнечная энергия преобразуется в последовательно подключённых фотоэлементах. Рассмотрим принцип работы солнечной батареи на уровне фотоэлектрических элементов. Основой фотоэлемента является кристалл кремния. Соединения кремния очень распространены в природе.

    Самый известный – это оксид кремния или песок. Кристалл кремния можно упрощенно назвать большой песчинкой. Кристаллы выращиваются искусственно в лабораторных условиях. Обычно их получают кубической формы, а затем на пластины. Толщина этих пластин всего 200 микрон.

    Это в 3─4 раза толще волоса человека.

    На полученные пластины кремния нанесён с одной стороны слой бора, а с другой ─ фосфора. В местах контакта кремниевой пластины с бором имеется избыток электронов. На другой стороне по границе кремниевой пластины с фосфором недостаёт электронов. Там образуются «дырки», как их принято называть. Такую стыковку границ с избыточным количеством электроном и их недостатком называют p-n переходом.

    Мощность одного фотоэлектрического элемента маленькая, а напряжение составляет около 0,5 вольта. Поэтому их последовательно объединяют в батареи по 36 штук, чтобы получить на выходе 18 вольт. Это хватит для того, чтобы зарядить аккумулятор 12 вольт.

    Здесь ещё нужно учесть, что заявленное напряжение и мощность будут только при работе батареи с максимальной отдачей, что в реальных условиях редкость. Собранная батарея помещается подложку, закрывается стеклом и герметизируется.

    Используемое стекло должно пропускать ультрафиолет, поскольку солнечная батарея также преобразует и эту часть спектра.

    Собранные батареи могут объединяться друг с другом в последовательные и параллельные цепочки. Получается небольшая солнечная электростанция.

    Сегодня солнечные батареи устанавливаются в своих домах и на дачах для экономии электроэнергии. Такие миниатюрные гелиосистемы работают круглый год. Главное, чтобы поверхность панелей была чистой и светило солнце. В ряде случаев их эффективность выше в морозный солнечный день, чем в летний. Это объясняется тем, что разогрев солнечных модулей несколько снижает эффективность их работы.

    Сразу стоит отметить, что полностью отказаться от электричества из централизованных сетей не получиться. Но, установив солнечную батарею, удастся значительно экономить на коммунальных расходах. Вариант, конечно, не годиться для квартиры. Нормально эксплуатировать такую систему получиться только в загородном доме или на даче, где достаточно места для установки солнечных панелей.

    Что касается установки солнечных батарей, то здесь следует отметить следующие моменты:

    • Устанавливать панели нужно на южной стороне крыши, фасада или на участке стороной на юг;
    • Угол наклона соответствует значению широты вашего региона;
    • Рядом не должно быть объектов, отбрасывающих тень на солнечные батареи;
    • Поверхность панелей нужно регулярно очищать от грязи и пыли;
    • Желательно использовать системы с отслеживанием положения солнца.

    Теперь вам ясен принцип работы солнечных батарей и их возможности. Понятно, что не следует отказываться от централизованного снабжения электроэнергией. Современные гелиосистемы пока не в состоянии полноценно обеспечивать дом энергией в пасмурную погоду.

    Но как часть комбинированной системы энергоснабжения дома они очень уместны.
    Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Этим вы поможете развитию сайта.

    Устройство и преимущества гелиосистем

    Постоянно растущие тарифы на электричество, перебои в сети напряжения и регулярные отключения всё больше подталкивает хозяев частных домов использовать солнце в качестве источника энергии.

    Уже не в диковинку увидеть сооружения из солнечных модулей, закреплённых на кровле или отдельно стоящих на подставке.

    Современные домашние станции отличаются большой мощностью, способностью обеспечивать бесперебойную работу бытовой технике в автономном режиме. Эффективность работы и производительность зависят от региона и климатических особенностей.

    Составные элементы солнечных батарей

    Мини станции на солнечных батареях состоят из следующих элементов:

    1. • солнечные модули;
    2. • контролёр;
    3. • аккумуляторы;
    4. • инвертор.

    Кроме того понадобятся:

    • — первичный преобразователь;
    • — комплект проводов;
    • — контрольные приборы за отслеживанием заряда в аккумуляторах;
    • — устройство отбора мощности у батарей.

    Принцип работы солнечной батареи

    Принцип работы батарей на солнечной энергии состоит из цепи физических процессов:

    1. • кремниевые пластины улавливают солнечную энергию;
    2. • нагретые пластины высвобождают электроны;
    3. • активизация электронов заставляет их двигаться по проводникам;
    4. • проводники направляют поток электронов в аккумулятор (чаще используют несколько накопителей энергии), в результате чего происходит подзарядка;
    5. • преобразователь меняет постоянный ток на переменный;
    6. • с помощью проводных подключений осуществляется подача питания бытовой технике.

    Виды солнечных батарей

    Подбор типа батарей с необходимыми параметрами обеспечит максимальную производительность с учётом климатических особенностей региона. Выпускается несколько разновидностей плит, отличающихся структурой поверхностного слоя и технологическим процессом изготовления.

    • Плиты с покрытием из монокристаллического кремния относятся к самым дорогостоящим фотоэлементам, что обусловлено способностью накопления солнечной энергии при сильной облачности. Производство включает сложный процесс медленного остывания кремниевого расплава. После остывания материал разрезается и подвергается дополнительной термообработке. Обычно пластины имеют тёмно-синий цвет.
    • Плиты с покрытием из аморфного кремния пока не выпускаются в промышленных объёмах. Перспективное направление находится в стадии развития. Сложность производственного процесса заключается в создании одинаковой направленности кремниевых кристаллов по всей поверхности плёнки, толщина которой не превышает 100 микрон.
    • Покрытия рабочей поверхности поли- или монокристаллическим кремнием имеют более доступную стоимость в связи с использованием упрощённой технологией производства. Электротехнические показатели немного уступают другим типам солнечных батарей.

    Параметры установок

    При выборе солнечных батарей уделяют внимание техническим параметрам и характеристикам. Качественные и высокопроизводительные изделия должны иметь следующие параметры:

    1. • показатель КПД свыше 20%;
    2. • высокий уровень сопротивления;
    3. • стекло должно быть закалённым;
    4. • устойчивость к плохим погодным условиям;
    5. • в южных регионах предпочтение отдаётся поликристаллическим моделям;
    6. • для северных регионов рекомендуются монокристаллические плиты.

    Преимущества использования солнечных батарей

    • • автономность;
    • • регулировка температуры;
    • • за энергию не нужно платить;
    • • постоянное пополнение запасов ресурса;
    • • экологичность и безопасность;
    • • может использоваться в качестве резерва и основного источника;

    Как устроена солнечная батарея?

    Казалось бы, совсем недавно солнечная батарея прочно ассоциировалась с космическими кораблями, орбитальными станциями и луноходами. А сейчас, устройство, способное извлекать электричество из света можно обнаружить в любом калькуляторе.

    Более того, в богатых солнечным светом странах с жарким летом и мягкой зимой (ученые называют их «страны с высокой инсоляцией»), таких как Италия, Испания, Португалия, южные штаты США и т.д. Солнечная энергетика является заметной статьей экономии средств на электро- и теплоснабжение.

    Причем экономия эта происходит как по частной инициативе граждан, так и в виде обязательных к выполнению государственных нормативных актов, как например в Испании.

    Солнечная энергия может развязать энергетическую проблему всего мира

    Попытки заставить работать на себя энергию солнца предпринимались человечеством давно, так по легенде Архимед сжег римский флот, приказав сфокусировать множеством зеркал (в другой версии – начищенных до блеска щитов) солнечный свет на парусах римских галер. Но заметные результаты попытки подчинения энергии солнца дали только в прошлом веке. Какие же существуют пути использования солнечной энергии?

    Как получить электричество

    Самый очевидный путь – это преобразование световой энергии солнца в тепловую. Строго говоря, это даже преобразованием назвать нельзя, ведь свет и тепло имеют одну и ту же природу и отличаются лишь частотой, правильнее будет говорить о сборе тепла.

    Для сбора солнечного тепла устройства, которые так и называются — солнечные коллекторы («коллектор» буквально означает сборщик). Принцип их действия предельно прост – теплоноситель (вода, реже воздух) нагревается в сделанном из теплопоглощающего материала радиаторе.

    Такие устройства имеют широкое применение для горячего водоснабжения частных домов.

    Другой интересный способ использования энергии ближайшего светила подсказывает нам природа. За миллионы лет эволюции растения научились преобразовывать энергию солнца в энергию химических связей, синтезируя из простых веществ сложное соединение – глюкозу. Тот, кто не прогуливал в школе ботанику, конечно, догадался, что речь идет о фотосинтезе.

    Но не каждый задумывался об энергетической сущности этого процесса, состоящей как раз в накоплении солнечной энергии и дальнейшего ее использования (в том числе зимой) в «личных» целях. То есть речь идет о биоэнергетике. Реальной, а не той, о которой рассказывают доморощенные маги.

    1. Способ использования энергии солнца по такому принципу работы еще только ждет своего применения в рукотворной технике.
    2. Процесс сбора тепловой энергии происходит в коллекторах
    3. Как уже говорилось выше, самый простой способ использования в личных целях энергию солнца – это сбор тепловой энергии. Однако «самый простой» не всегда означает «самый лучший».
    4. Дело в том, что тепловая энергия – это, можно сказать, «скоропортящийся продукт». Попробуйте «законсервировать» тепло или передать его на большие расстояния. Скорее всего, затраты перекроют все возможные выгоды.

    Наиболее удобным для накопления и транспортировки видом энергии является электричество. Его можно без особых проблем собрать в аккумуляторах либо передать по проводам к месту, где оно будет работать, с минимальными потерями.

    Отсюда следует третий, самый распространенный способ использования солнечного света – преобразование его в электрическую энергию.

    Как это работает

    Преобразование солнечного света происходит в батареях (то есть последовательно подключенных группах) фотоэлементов, которые подучили название «солнечные батареи». По какому же принципу работают солнечные батареи?

    Процесс преобразования солнечного света

    Сердцем фотоэлемента является кремниевый кристалл. С кремнием (точнее его оксидами) мы встречаемся каждый день – это знакомый нам песок.

    Таким образом, можно сказать, что кремниевый кристалл – это выращенная в лаборатории гигантская песчинка.

    Кристаллам придают форму куба и режут на платины толщиной в двести микрон (примерно три-четыре толщины человеческого волоса).

    На кремниевую пластинку с одной стороны наносят тончайший слой фосфора, с другой стороны – тончайший слой бора. Там, где кремний контактирует с бором, возникает избыток свободных электронов, а там, где кремний контактирует с фосфором, наоборот электроны в недостатке, возникают так называемые «дырки».

    • Стык сред, обладающих избытком и недостатком электронов, называется в физике p-n переход. Фотоны света бомбардируют поверхность пластины и вышибают избыточные электроны фосфора к недостающим электронам бора.
    • Упорядоченное движение электронов – это и есть электрический ток. Осталось только «собрать» его, проведя через пластину металлические дорожки.
    • Так в принципе устроен кремниевый фотоэлемент.
    • Мощность одной пластинки-фотоэлемента довольно скромная, ее хватит разве что для работы лампочки карманного фонарика. Поэтому отдельные элементы собирают в системы-батареи.
    • Теоретически можно собрать из элементов батарею любой мощности.

    Батарею укладывают на металлическую подложку, армируют для повышения прочности и накрывают стеклом.

    Важно, что солнечная батарея преобразует в электричество не только видимую, но и ультрафиолетовую часть солнечного спектра, поэтому стекло, покрывающее батарею обязательно должно пропускать ультрафиолет.

    Важным преимуществом солнечной батареи является то, что она использует свет, а не тепло, поэтому, в отличие от коллектора, солнечная батарея может работать и зимой, лишь бы облачность не закрывала солнечный свет.

    Существуют проекты строительства огромных полей солнечных батарей в Арктике и Антарктике, которые будут накапливать энергию во время полугодового полярного дня, который на севере наступает летом, а на юге – зимой, то есть две гигантских солнечных электростанции никогда не будут бездействовать одновременно.

    Это все в далекой перспективе, а извлечь пользу из свойств солнечной батареи можно уже сегодня, оборудовав свое жилище миниатюрной гелиоэлектростанцией. Такая станция конечно вряд ли сможет полностью удовлетворить потребности хозяйства в электричестве, но, без сомнения, станет чувствительным фактором экономии семейного бюджета.

    Принцип работы солнечной батареи

    Солнечные батареи, как источник альтернативной энергии, сегодня уже не относят к инновационным технологиям науки. Впервые, использованные уже более сорока лет назад для электропитания станций в открытом космосе, они с успехом применяются, в качестве независимого источника экологически чистой электроэнергии.

    Элементы солнечных батарей изготавливают из материалов, преобразующих солнечный свет в электричество. Фотоэлектрическая батарея конструктивно состоит из нескольких модулей, электрически и механически соединенных между собой.

    Каждый солнечный модуль – это устройство, объединяющее несколько фотоэлектрических элементов и выходные клеммы для подключения электроприемников. Фотоэлектрический элемент состоит из 2-х пластин полупроводникового материала.

    Основную часть, выпускающихся промышленностью элементов батарей, изготавливают из чистого кремния. На одну пластину, с целью придания ей свойств проводника отрицательных зарядов (n-область), наносят бор. Вторую же, с целью создания проводника положительных зарядов, покрывают фосфором (р – область).

    Под воздействием солнечных лучей в зоне соприкосновения двух пластин возникает электродвижущая сила, которая способна создавать электрический ток во внешнем контуре, электрически соединенном с р- и n-областями. Для того, чтобы снять ток с батарей их пропаивают тонкими полосами меди.

    • Спаянные друг с другом пластины спаивают, ламинируют, а затем закрепляют на стекле. Для придания конструкции прочностных свойств соединенные пластины размещают в алюминиевую раму.
    • Явление, в основе которого лежит принцип работы солнечных батарей, имеет название «внешний фотоэффект». Мощность, вырабатываемая батареей, напрямую зависит от площади ее поверхности.
    • На эффективность работы солнечных батарей оказывает влияние также положение относительно Солнца модулей и интенсивность излучения. Таким образом, КПД батарей зависит от времени года, места установки, погоды.
    • Энергия, генерируемая фотоэлектрической установкой, не предназначена для непосредственного подключения потребителей. Между электрогенерирующей установкой и потребляющей сетью необходимо подключать инвертор, с целью трансформирования напряжения в стандартные величины одно или трехфазного номинала (220 или 380В).

    Солнечные фотоэлектрические модули способны вырабатывать электроэнергию в течение 25 и больше лет. Технический износ в большинстве случаев возникает вследствие влияния окружающей среды, поскольку в таких установках отсутствуют подвижные механизмы, а также нет никаких термодинамических процессов.

    Грамотно смонтированная солнечная батарея станет экологически безопасным, бесшумным и надежным источником электроэнергии на долгие годы.

    Устройство и работа солнечной батареи

    Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте, вне зависимости от ее разновидности и устройства.

    Характеристика устройств

    Ученым удалось обнаружить природные вещества, в которых происходит преобразование света в электроэнергию. Этот процесс они стали называть фотоэлектрическим эффектом. Впоследствии им удалось научиться управлять этим явлением. Потом благодаря полупроводниковым материалам они смогли создать небольшие эффективные приборы – фотоэлементы.

    После этого было налажено производство миниатюрных преобразователей и эффективных гелиопанелей. КПД кремниевых панелей составляет 18–22%.

    Устройство солнечного модуля

    Из данных модулей собирают солнечные батареи, преобразующие фотоны солнечной энергии в постоянный ток, накапливающийся в аккумуляторах или трансформирующийся в переменный ток напряжением 220 V, необходимый для питания многих бытовых и промышленных электроприборов.

    Такие источники питания незаменимы для удаленных районов, где нет централизованного электроснабжения или часто случаются перебои с электричеством. Кроме того, они позволяют экономить затраты на электроснабжение в быту и в некоторых отраслях промышленности.

    Разновидность солнечных батарей

    В зависимости от материала изготовления и способа производства, солнечные батареи подразделяют на кремниевые и плёночные.

    Кремневые элементы – это устройства, сделанные из кремния, так как этот химический элемент обладает повышенной производительностью, поэтому на него сейчас огромный спрос на мировом рынке. По структуре их подразделяют на три подтипа.

    Монокристаллические батареи

    Это солнечные батареи состоят из силиконовых ячеек, соединенных между собой. Их удается создавать только из чистейшего кремния, который добывают с помощью выращивания кристаллов.

    • Когда монокристалл становится твёрдым, его делят на тончайшие пластинки, которые соединяют между собой с помощью сетки из металлических электродов.
    • Такая технология изготовления очень дорогая и трудоемкая, поэтому её используют меньше, хотя у монокристаллических батарей высокий КПД, около 22%.

    Монокристаллические солнечные батареи

    Поликристаллические батареи

    Это солнечные батареи состоят из поликристаллов, полученных благодаря постепенному охлаждению сплава кремния.

    Данная технология изготовления обходится дешевле. Но в этом случае понижается КПД на 4–5%.

    Это характеризуется тем, что в поликристаллах образуются зоны с зернистыми границами, именно они понижают эффективность поликристаллических батарей.

    Аморфные батареи

    Это солнечные батареи делают из кремневодорода или силана. У аморфных батарей маленький КПД, порядка 5%, но они обладают многими достоинствами:

    • гибкие;
    • эффективно работают в пасмурную погоду;
    • очень тонкие (1 мкм).

    Плёночные батареи подразделяются на несколько видов:

    • на основе теллурида кадмия;
    • на основе сплава меди, индия и селена, их КПД достигает 16–20%;
    • полимерные фотоэлементы из органики, у которых КПД небольшой 5–6%.

    Аморфная солнечная батарея — устройство

    Принцип работы

    На отрицательно заряженную панель воздействует солнечный свет, при этом образуется еще множество отрицательных зарядов и «пустот». Электрическое поле, присутствующее в p-n переходе, разделяет положительные и отрицательны частицы.

    При этом положительные переходят в верхний слой, а отрицательные в нижний. Это приводит к разности потенциалов, в результате возникает постоянное напряжение. Поэтому становится ясно, что каждый фотопреобразователь действует как батарейка.

    И если к нему подключить нагрузку, в цепи возникнет ток. При этом его сила зависит от следующего:

    • степень инсоляции;
    • габариты фотопреобразователя;
    • вид фотоэлемента;
    • полное сопротивление подключенных электроприборов.

    Схема работы солнечного электроснабжения

    Когда рассматривается схема солнечной батареи, то становятся заметны в ней загадочные наименования узлов. Но на первый взгляд, схема электрической цепи и устройство батареи выглядят просто.

    Панели плоской формы хорошо ложатся на поверхностях. Модульные блоки соединяются с помощью взаимосвязанных подключений в гелиобатарею. Главная цель устройства – это трансформация энергии света в постоянный ток необходимой величины.

    Аккумуляторы – это устройства, накапливающие электричество. Когда потребители подключены к электрической сети, энергонакопители сохраняют в себе излишки электроэнергии.

    Аккумуляторный блок питает сеть нужным объемом энергии и в то же время поддерживает в ней стабильное напряжение, после возрастания величины потребления до высоких значений.

    Это бывает ночью и в пасмурную погоду, когда не работают солнечные панели.

    Контроллер является посредником между солнечным модулем и аккумуляторами. Он корректирует степень заряженности батарей и защищает их от выкипания, что может произойти от перезарядки или уменьшения электрического потенциала ниже приделов, требуемых для стабильного функционирования системы.

    Инвертор – это узел, который выполняет функцию трансформации постоянного тока солнечных панелей и аккумуляторов в переменный ток напряжением 220V. Именно это напряжение требуется для большинства бытовых и промышленных электроприборов.

    Пример устройства

    Основной смысл подключения солнечных источников электропитания в точном определении нагрузки и правильной настройке контролёра заряда. Самая примитивная схема представлена в устройстве садового фонаря.

    Эти фонари сегодня становятся очень популярными за счёт яркого освещения. Конечно, зимой свет фонарей, питающихся с помощью фотоэлектрического эффекта солнечной энергией, не такой яркий.

    В этом случае в схему входит фотоэлемент, накопительный аккумулятор и лампа.

    Принцип работы солнечных панелей

    Применение солнечных батарей

    Использование солнечной энергии для создания солнечных электростанций является очень выгодным и не таким уж дорогим источником электроэнергии. Широкое применение солнечных батарей нашли не только в промышленности и других отраслях, но и для индивидуальных нужд.

    Со временем солнечные батареи становятся дешевле и все большее число людей приобретают их и используют в качестве источника альтернативной энергии. На солнечных панелях работают калькуляторы, радиоприемники, фонари на аккумуляторах с подзарядкой от солнечной панели.

    Есть даже корейский мобильный телефон, который может заряжаться от солнечных панелей. Появились небольшие переносные электростанции на солнечных панелях, которыми пользуются туристы, рыбаки, охотники. Сейчас никого не удивишь автомобилем с солнечной панелью на крыше.

    Как работают солнечные батареи

    Солнечная панель состоит из множества фотоэлементов, которые при освещении солнечными лучами создают разность потенциалов. Теперь, соединяя эти фотоэлементы последовательно, мы увеличим величину постоянного напряжения, а соединяя параллельно, увеличим силу тока.

    Устройство солнечных батарей

    Т. е., соединяя фотоэлементы последовательно – параллельно мы можем достичь большой мощности солнечной панели. Также батареи можно собирать параллельно и последовательно в модуле и добиться значительного увеличения напряжения, тока и мощности такого модуля.

    Принцип работы солнечной панели

    Кроме солнечных батарей схема имеет еще такие устройства как контроллер, необходимый для контроля заряда аккумулятора, инвертор имеет функцию преобразования постоянного напряжения в стабильное переменное, для потребителей электроэнергии. Аккумуляторы предназначены для накопления электроэнергии.

    Как работают фотоэлементы солнечной батареи

    Еще Беккерель доказал, что энергию солнца можно преобразовать в электричество, освещая специальные полупроводники. Позднее эти полупроводники стали называть фотоэлементами. Фотоэлемент представляет собой два слоя полупроводника имеющих разную проводимость. С обеих сторон к этим полупроводникам припаиваются контакты для подключения в цепь. Слой полупроводника с n проводимостью является катодом, а слой с p проводником анодом.

    Проводимость n называют электронной проводимостью, а слой p дырочной проводимостью. За счет передвижения «дырок» в p слое во время освещения, создается ток. Состояние атома потерявшего электрон называется «дырка». Таким образом, электрон перемещается по «дыркам» и создается иллюзия движения «дырок».

    Принцип работы фотоэлемента

    В действительности «дырки» не передвигаются. Граница соприкосновения проводников с разной проводимостью называется p-n переходом. Создается аналог диода, который выдает разность потенциалов при его освещении. Когда освещается n проводимость, то электроны, получая дополнительную энергию, начинают проникать сквозь барьер p-n перехода.

    Число электронов и «дырок» меняется, что приводит к появлению разности потенциала, и при замыкании цепи появляется ток. Величина разности потенциала зависит от размеров фотоэлемента, силы света, температуры. Основной первого фотоэлемента стал кремний. Однако высокую чистоту кремния получить трудно, стоит это недешево.

    Когда освещается n проводимость, то электроны, получая дополнительную энергию, начинают проникать сквозь барьер p-n перехода. Число электронов и «дырок» меняется, что приводит к появлению разности потенциала, и при замыкании цепи появляется ток

    Поэтому сейчас ищут замену кремнию. В новых разработках кремний заменен на многослойный полимер с высоким КПД до 30%. Но такие солнечные панели дорогие, и пока отсутствуют на рынке. КПД солнечных батарей можно повысить, если устанавливать их на южной стороне и под углом не меньше 30 градусов.

    Рекомендуется, солнечные батареи устанавливать на устройство слежения за движением солнца. Это устройство передвигает панели таким образом, чтобы они получали максимально возможное освещение лучами солнца от восхода до заката. При этом КПД солнечных панелей возрастает достаточно сильно.

    Как работает солнечная батарея и особенности ее устройства

    Солнечные батареи — популярный экологически чистый и безопасный источник электроэнергии. В последнее время эта технология нашла широкое распространение, мотивируя людей к переходу на возобновляемую и доступную энергию, направленную впоследствии на питание промышленной и бытовой техники. Чтобы разобраться в сложном процессе, нужно предварительно узнать, как работает солнечная батарея.

    Принцип действия

    Описываемое устройство уникально тем, что преобразует световую энергию, получаемую от солнечных лучей, в электроток. В основу таких приборов стандартно заложены фотоэлементы в виде фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей.

    Если рассматривать современные модели батарей, работающих от солнца, они различаются по ряду параметров:

    • габариты;
    • производимая мощность;
    • производитель (стоимость).

    Отмечено, что описываемые приспособления часто встречаются в конструкциях, которыми человек ежедневно пользуется, начиная от примитивных калькуляторов и заканчивая масштабными электростанциями солнечного типа.

    Стоит детальнее разобраться, как устроена солнечная батарея. Во время сборки фотоэлемента на монокристаллическую пластину из кремния наносится тонкий слой из бора и фосфора. В кремниево-фосфорной прослойке образуются свободные электроны. Полоска же с добавлением бора (анод) представлена отсутствующими электронами. Поступление на фотоэлемент кванта света приводит частицы в движение, они перемещаются между слоями. Передвигающиеся электроны высвобождают некое количество энергии, образуя разность потенциалов. Последняя определяется интенсивностью подаваемого света.

    Высвобожденная описанным методом энергия должна выводиться из отдельных многочисленных пластин. Для этого на фотоэлектрических преобразователях созданы металлизированные дорожки. Максимальная мощность батареи напрямую зависит от ее площади. Количество вырабатываемого электричества возрастает пропорционально увеличению численности отельных пластин.

    Виды преобразующих панелей

    Существует несколько видов батарей, отличающихся конструктивными особенностями, процентным соотношением преобразования солнечного света. Они обладают следующими характеристиками:

    1. Панели на основе кремниевых фотоэлементов являются наиболее распространенными, представляют порядка 80% от общего объема создаваемых устройств. Добыча кремния и создание легирующего покрытия является дорогостоящей процедурой, но в настоящее время стоимость таких производственных процессов постепенно уменьшается. Кремний не является редким элементом земной коры. В ближайшем будущем именно батареи, основанные на нем, будут применяться повсюду. Существенный недостаток заключается в небольшом коэффициенте светопоглощения, т. к. кремний относится к непрямозонным полупроводникам. Готовые фотоэлементы в результате имеют увеличенную толщину, а устройство много весит.
    2. Отличительная черта панелей тонкопленочного типа — повышенный в сравнении с предыдущим вариантом коэффициент светопреобразования. Фотоэлементы (прямозонные полупроводники) толщиной всего в пару микрон вырабатывают достаточное количество энергии. Масса обозначенных панелей незначительная, они часто устанавливаются на жилых домах, автомобилях. Основное преимущество тонкопленочных батарей заключается в возможности эффективно функционировать даже в пасмурную погоду.
    3. Концентраторные модули отличаются самой большой эффективностью (порядка 45%), но их также отличает высокая цена. Конструктивно фотоэлементы представлены одновременно полупроводниками нескольких видов, выстроенных в определенной последовательности. Часто применимая схема представлена дорожкой-полупроводником Ge, верхним слоем GaInP, средним слоем GaAs. Такие пласты расположены особым образом, за счет чего солнечная энергия эффективно усваивается в пасмурную и в ясную погоду. Особенность заключается в сложной сборке концентраторных модулей, требующей максимальной точности.
    4. Батареи органического типа находятся в разработке, в продаже их невозможно встретить. Их фотоэлементы работают аналогично фотосинтезу растений. На их поверхность нанесен тончайший слой светочувствительной краски.
    5. Фотоэлектрические преобразователи, основанные на монокристаллическом кремнии (эффективность порядка 20%). В этом случае основу фотоэлемента представляет монокристалл из очищенного кремния, выращенный из специального кремниевого сплава. В готовом виде монокристаллы представлены стержнями кубической формы. Далее полученный куб разделяется на пластины не более чем в 180 Мк толщиной. Полученные детали тщательно очищаются, проходят процесс армирования специальным защитным слоем. Поверхность металлизируется, обрабатывается антирефлексивным веществом.
    6. Фотоэлектрические панели, работающие на поликристаллическом кремнии (КПД — около 15%). Этот материал добывается при переработке кремниевого остывшего расплава. Процесс образования рабочих стержней продолжительный, т. к. расплав происходит при низкой температуре, но значительно проще в сравнении с формированием монокристаллов.
    7. Батареи фотоэлектрического типа на аморфном кремнии (эффективность — 10%). Основной компонент добывается по принципу испарительной фазы, когда пленка из кремния закрепляется на несущем материале, армируется специальным компонентом для обеспечения защиты. Преимущество заключается в производстве панелей масштабных площадей, малой себестоимости. Из отрицательных моментов отмечается незначительный эксплуатационный ресурс, причиной чему служит ускоренная деградация.

    Эффективное расположение прибора

    Высокая эффективность от эксплуатации батарей на солнечных лучах достигается путем выработки необходимой энергии на протяжении наибольшего количества часов в световой день. Решается поставленная задача посредством правильного расположения описываемых панелей по отношению к траектории солнечных лучей.

    Если говорить про распространенное статичное размещение батареи, предполагается ее обращение в восточном направлении с незначительным уклоном. Так солнце на протяжении большей части светового дня будет поступать на фотоэлементы.

    Удачным считается изменяемое расположение, когда солнечная батарея закрепляется на подвижной конструкции с целью повышения эффективности энергопреобразования. Такое решение предусматривает изменение угла наклона рабочей поверхности в зависимости от расположения солнечных лучей. К такому решению пользователи приходят нечасто, т. к. эксплуатация привода отличается высокой стоимостью.

    Введение в электросеть

    Устройство солнечных батарей заключается в преобразовании энергии солнца в электроток. Однако для его использования в бытовых условиях необходима трансформация еще в переменный ток, поступление непосредственно в рабочую электросеть.

    Трансформирование получаемого напряжения возможно только при использовании инвертора. Так, на вход подобного приспособления поступает постоянный ток, а на выходе получается переменный, отличающийся необходимой мощностью, оптимальными частотными характеристиками. Принцип работы солнечной батареи заключается также в скоплении электроэнергии свинцово-кислотными аккумуляторами, которыми комплектуются абсолютно все солнечные батареи.

    Солнечные батареи смело можно назвать функциональными приборами будущего. Они позволяют экономить расходы на энергию, добывая ее естественным путем, безопасным для окружающей среды.

    Добавить комментарий