Что такое солнечные батареи и как они работают
Что такое солнечные батареи и как они работают
Когда деньги, вложенные в батареи, окупятся, электричество в доме будет действительно бесплатным
Заинтересованы в бесплатной электроэнергии на дачном участке или в загородном доме? Я расскажу про принцип действия и про устройство солнечной батареи, а вы сможете решить, подходит ли такое устройство для того, чтобы сделать дом или дачу энергонезависимыми.
Солнечная батарея (СБ) — это устройство, позволяющее преобразовать световую энергию солнечных лучей в электрический ток. В основе приборов применяются фотоэлементы — полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи.
Пример того, как небольшой поселок можно сделать энергонезависимым
Современные модификации солнечных батарей различаются такими параметрами, как производимая мощность и габариты. Поэтому эти устройства с одинаковым успехом применяются в самых разных конструкциях, начиная с портативных калькуляторов и оканчивая солнечными электростанциями.
На схеме показано, из чего состоит наиболее распространённая батарея солнечного света
При сборке фотоэлемента на пластину монокристаллического кремния с шириной запрещенной зоны 5 эВ наносится слой фосфора и бора. В слое кремния с добавками фосфора (катод) возникают свободные электроны. В слое кремния с бором (анод) образуются отсутствующие электроны, так называемые «дырки».
На схеме показан принцип работы кремниевого фотоэлемента, начиная с воздействия света на поверхность и оканчивая отведением тока
Когда на поверхность фотоэлемента попадает квант света, происходит движение частиц из одного слоя в другой. За счет движения частиц, высвобождается определенное количество энергии, то есть создается разность потенциалов, которую определяет интенсивность света.
Медные дорожки нескольких пластин параллельно спаиваются друг с другом
Для того чтобы высвобожденную энергию вывести с каждой отдельно взятой пластины, на поверхность фотоэлектрических преобразователей нанесены металлизированные дорожки.
Мощность собранной батареи определяется ее площадью. То есть, чем больше отдельных пластин будет закреплено на панели, тем больше электричества будет выработано.
Разновидности преобразующих панелей и их устройство
| Иллюстрации | Классификация по типу солнечных элементов |
 |
Панели с кремниевыми фотоэлементами. СБ с кремниевыми фотоэлементами это самый распространенный тип панелей (около 85% от всего объёма производимых солнечных батарей). |
С развитием технологий, цена таких производственных процессов, как выращивание кремния и нанесение легирующего покрытия снижается. Более того, кремний — это самый распространенный элемент в составе земной коры.
Именно поэтому будущее солнечной энергетики в ближайшие 50 лет будут определять кремниевые СБ.
Недостаток кремниевых СБ — это низкий коэффициент светопоглощения из-за того, что кремний не прямозонный полупроводник. В итоге фотоэлементы производятся с увеличенной толщиной, что негативно сказывается на весе устройства.
Применение прямозонных полупроводников в качестве фотоэлементов, позволяет вырабатывать оптимальное количество энергии при толщине СБ в пару микрон. Панели с такими фотоэлементами немного весят и могут устанавливаться своими руками на крыши жилых домов, на крыши автомобилей и т.п.
Существенное преимущество тонкопленочных СБ — способность эффективно работать даже в облачный день.
В конструкции этих фотоэлементов применены полупроводники нескольких типов, расположенные слоями в определённом порядке. Например, распространённый вариант: Ge — полупроводник подложка, GaAs — средний слой и GaInP — верхний слой.
За счет особого расположения полупроводников обеспечивается эффективное усвоение солнечной энергии, как в ясную, так и в облачную погоду. Сборка СБ на основе концентраторных модулей технически сложна, а потому цена устройств высокая.
На фото — модель дерева с листьями из органических батарей.
| Иллюстрации | Классификация кремниевых фотоэлементов в соответствии с типом кристалла. |
 |
Фотоэлектрические преобразователи из монокристаллического кремния (КПД 15-20%). Основа фотоэлемента — чистый кремниевый монокристалл, выращенный из кремниевого расплава.
Готовые монокристаллы имеют форму стержня, которому придается форма куба. Куб нарезается на пластины с толщиной 180 Мк. Нарезанные пластины очищаются и армируются защитным покрытием. Поверхность подвергается металлизации, после чего на нее наносится антирефлексионное покрытие. |
 |
Фотоэлектрические преобразователи из поликристаллического кремния (КПД 10-15%). Поликристаллический кремний выращивается из остывшего кремниевого расплава.
Из-за низкой температуры расплава процесс формирования стержней протекает медленно. Тем не менее, инструкция их производства проще формирования монокристаллов. |
 |
Фотоэлектрические преобразователи из аморфного кремния (КПД 8-10%). Производство аморфного кремния выполняется по технологии испарительной фазы, а именно, кремниевая пленка крепится на несущем материале и армируется защитным покрытием.
Преимущества технологии — малая себестоимость и возможность изготавливать панели большой площади. Недостаток фотоэлементов из аморфного кремния — малый эксплуатационный ресурс из-за ускоренной деградации. |
Эффективное расположение
Чтобы эксплуатация батарей была наиболее эффективной, устройство должно вырабатывать электричество наибольшее количество времени в течение светового дня. Добиться максимальной эффективности использования можно за счет правильного расположения плоскости относительно траектории прохождения солнца.
| Иллюстрации | Популярные способы расположения |
 |
Статичное расположение. Солнечная панель располагается с небольшим наклоном в восточном направлении. В итоге солнечный свет будет попадать на фотоэлементы большую часть дня. |
 |
Изменяемое расположение. Увеличение эффективности энергопреобразования возможно за счет установки панели фотоэлементов на подвижной конструкции.
Благодаря такому решению плоскость, в зависимости от положения солнца, будет менять угол наклона. Впрочем, такое решение применяется нечасто, так как из-за монтажа и эксплуатации электропривода увеличивается цена системы в целом. |
Интеграция солнечных батарей в электрическую сеть
Солнечная батарея (СБ) вырабатывает электрический ток, но для того чтобы постоянное напряжение применить в быту, его нужно трансформировать в переменный ток и пустить в сеть или аккумулировать для последующего применения.
На фото показан автомобильный инвертор, преобразующий постоянный ток (12 В) в переменный ток с параметрами бытовой электросети (50 Гц, 220 В)
Для трансформирования постоянного напряжения в переменное, применяется специальное оборудование — инвертор. На вход устройства подаётся постоянное напряжение, а на выходе получается переменный ток с требуемой частотной характеристикой и необходимой мощностью.
Аккумуляторы для бытовой солнечной электростанции — для удобства монтажа по бокам предусмотрены кронштейны для стойки
Для накопления электроэнергии применяются свинцово-кислотные аккумуляторы. Обратите внимание на то, что солнечные панели комплектуются специальными аккумуляторами, которые по рабочим параметрам и по конструкции отличаются от обычных автомобильных аккумуляторов.
Подведем итоги
Теперь вы знаете, как работают солнечные батареи и как они устроены. Интересующие подробности можно найти, посмотрев видео в этой статье. Если остались вопросы, их можно задать в комментариях.
Солнечные батареи для дома и личного пользования
Использование солнечной энергии для обеспечения жизненных потребностей в 21 веке является актуальным вопросом не только для корпораций, но и для населения. Теперь использование солнечных батарей для получения экологической электроэнергии привлекает много людей своей доступностью, автономностью, неиссякаемостью и минимальными вложениями. Теперь эти явления настолько привычны и обыденны, что уже давно прочно обосновались в нашу каждодневную жизнь.
Данный источник электроэнергии используется для освещения, функционирования бытовых электроприборов и отопления. Уличные фонари на солнечных батареях используются повсеместно в городской черте, на дачных участках и территориях загородных коттеджей.
Содержание
Принцип работы солнечной батареи
Устройство предназначено для непосредственного преобразования лучей солнца в электричество. Этот действие называется фотоэлектрическим эффектом. Полупроводники (кремневые пластины), которые используются для изготовления элементов, обладают положительными и отрицательными заряженными электронами и состоят их двух слоев n-слой (-) и р-слой (+). Излишние электроны под воздействием солнечного света выбиваются из слоев и занимают пустые места в другом слое. Это заставляет свободные электроны постоянно двигаться, переходя из одной пластины в другую вырабатывая электричество, которое накапливается в аккумуляторе.
Как работает солнечная батарея, во многом зависит от ее устройства. Первоначально фотоэлементы изготавливались из кремния. Они и сейчас очень популярны, но поскольку процесс очистки кремния достаточно трудоемок и затратен, разрабатываются модели с альтернативными фотоэлементами из соединений кадмия, меди, галлия и индия, но они менее производительны.
КПД солнечных батарей с развитием технологий вырос. На сегодняшний день это показатель возрос от одного процента, который регистрировался в начале столетия, до более двадцати процентов. Это позволяет в наши дни использовать панели не только для обеспечения бытовых нужд, но и производственных.
Технические характеристики
Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:
- Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;
- Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;
- Контроллер уровня заряда аккумулятора.
Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.
Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.
(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)
Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.
Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.
Установка солнечных батарей
Если конструкции будут использоваться для электрообеспечения жилых пространств, то место установки следует выбирать тщательно. Если панели будут загорожены высотными зданиями или деревьями, то трудно будет получить необходимую энергию. Их необходимо разместить там, где поток солнечных лучей максимален, то есть на южную сторону. Конструкцию лучше установить под наклоном, угол которого равен географической широте месторасположения системы.
Солнечные панели должны размещаться таким образом, чтобы хозяин имел возможность периодически очищать поверхность от пыли и грязи или снега, поскольку это приводит к более низкой способности выработки энергии.
Солнечная батарея своими руками
Те, кто хочет сэкономить, задумываются, как сделать солнечную батарею в домашних условиях самостоятельно, чтобы она обладала необходимыми эксплуатационными параметрами и полностью обеспечивала энергетические потребност. Это особенно актуально для мест отдаленных от главных артерий цивилизации.
Солнечные батареи своими руками в домашних условиях изготавливаются из соответствующих элементов, которые можно купить в открытом доступе в специализированных компаниях или через интернет магазины. Если кремниевые пластины должны приобретаться у производителей, то остальные элементы, такие как лента, рамка, пленка, стекло, припой и прочее можно вполне обнаружить и дома в хозяйстве.
Солнечная батарея своими руками из подручных средств изготавливается некоторыми умельцами из медных листов, зажимов, мощных электроплит, соли и из других материалов. Такие кустарные устройства не смогут полностью обеспечить необходимой электроэнергией и могут использоваться лишь в небольших масштабах.
Лучше всего солнечные батареи купить у производителя, поскольку они обладают гарантией и необходимыми функциональными и эксплуатационными параметрами, и, значит, не подведут. Производство солнечных батарей базируется на применении новейших технологий, которые постоянно развиваются, предлагая более усовершенствованные модели. В зависимости от размеров устройств, они могут использовать для различных целей в местах, где нет снабжения электроэнергией. Они встречаются на калькуляторах, часах, различных мобильных устройствах.
Так, например, рюкзак с солнечной батареей будет незаменимым помощником тех, кто любит путешествовать с комфортом. Он накопит достаточно энергии, чтобы зарядить фонарик для освещения туристической палатки или чтобы во время похода заряжать необходимые гаджеты. Судя по отзывам, солнечные батареи используются часто и с удовольствием для удовлетворения разнообразных нужд не только на природе, но и в быту.
Современные устройства со встроенными солнечными модулями
- Power bank с солнечной батареей – внешний накопитель с фотоэлементами для преобразования солнечных лучей в заряд аккумулятора. Он обладает несколькими портами и предназначен для зарядки смартфонов или планшетов. Это незаменимое устройство для тех кто, много времени тратят в дороге и пользуются гаджетами. Устройство, зависимо от модели может дополняться различными функциями, как, к примеру, фонариком.
- Робот конструктор – наборы с различными элементами, из которых можно собрать несколько конструкций, которые двигаются автономно. Это лучшая игрушка для любознательных детей. Робот конструктор на солнечной батарее купить интересно будет не только малышам, но и вполне взрослым дяденькам, поскольку захватывающим является не только движение робота, но и сам процесс сборки.
- Уличные садовые светильники на солнечных батареях – идеальное решение для сада, огорода или приусадебного участка. Благодаря накопленному заряду они будут светиться всю ночь. Для этого не нужно прокладывать специальную проводку. Их можно брать с собой на рыбалку или семейный поход. Чрезвычайная мобильность, компактность и удобство делают фонари самыми востребованными изделиями на солнечных батареях.
Возможности эксплуатации настолько разнообразны, а технологии так быстро развивается, что скоро солнечные модули охватят все сферы жизни современного человека.
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, 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.
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.
Настоящим прорывов в области использования солнечной энергии стала разработка гибких панелей с аморфным фотоэлектрическим кремнием:
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 °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.
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.
Доступно и понятно, как работает фотоэлектрическая солнечная батарея, во всех подробностях:
Как устроены солнечные батареи смотрите в следующем видеоролике:
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.
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.
Как работают солнечные батареи: принцип, устройство, материалы
Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.
Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.
Немного истории
Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века. Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций. Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.
Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной. Современные устройства напрямую преобразуют солнечные лучи в ток благодаря понятию фотоэлектрический эффект.
Современный принцип работы солнечной батареи был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы солнечной батареи на практике.
Принцип работы
Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.
При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.
Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.
Устройство
Конструкция солнечной батареи очень проста.
Основу конструкции устройства составляют:
- корпус панели;
- блоки преобразования;
- аккумуляторы;
- дополнительные устройства.
Корпус выполняет исключительно функцию скрепления конструкции, не имея больше никакой практической пользы.
Основными элементами являются блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний. Можно сказать, что состоят солнечные батареи, устройство и принцип работы которых всегда одинаковый, из каркаса и двух тонких слоев кремния, который может быть нанесен на поверхность, как монокристаллическим, так и поликристаллическим методом.
От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность. Если кремний наносится монокристаллическим способом, то эффективность батареи будет максимально высокой, как и стоимость.
Если говорить о том, как работает солнечная батарея, то не нужно забывать об аккумуляторах. Как правило, используется два аккумулятора. Один является основным, второй — резервным. Основной накапливает электроэнергию, сразу же направляя ее в электрическую сеть. Второй накапливает избыточную электроэнергию, после чего направляет ее в сеть, когда напряжение падает.
Среди дополнительных устройств можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата.
Очень важными элементами солнечной назвать диоды. Данный элемент устанавливается на каждую четвертую часть блока преобразователей, защищая конструкцию от перегрева из-за избыточного напряжения. Если диоды не установлены, то есть большая вероятность, что после первого дождя система выйдет из строя.
Как подключается
Как было сказано раньше, устройство солнечной батареи достаточно сложное. Правильная схема солнечной батареи поможет добиться максимальной эффективности. Подключать блоки преобразователей необходимо при помощи параллельно-последовательного способа, что позволит получить оптимальную мощность и максимально эффективное напряжение в электрической сети.
Разновидности солнечных батарей
Существует несколько разновидностей фотоэлементов для солнечных батарей, которые отличаются между собой строением кристаллов кремния.
Выделяют три вида фотоэлементов:
- поликристаллические;
- монокристаллические;
- аморфные.
Первый вид панелей является более дешевым, но менее эффективным, поскольку, если кремний нанесен поликристаллическим способом, то электроны не могут двигаться прямолинейно.
Монокристаллические фотоэлементы отличаются максимальным КПД, который достигает 25 %. Стоимость таких батарей выше, но для получения 1 киловатта нужна существенно меньшая площадь фотоэлементов, чем при использовании поликристаллических панелей.
Из аморфного кремния изготавливают гибкие фотоэлементы, но их КПД самый низкий и составляет 4-6 %.
Преимущества и недостатки
Основные преимущества солнечных батарей:
- солнечная энергия абсолютно бесплатная;
- позволяют получать экологически чистую электроэнергию;
- быстро окупаются;
- простая установка и принцип работы.
- большая стоимость;
- для удовлетворения потребностей небольшой семьи в электроэнергии нужна достаточно большая площадь фотоэлементов;
- эффективность существенно падает в облачную погоду.
Как добиться максимальной эффективности
При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час. В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.
Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.
Каждый день солнце светит в среднем по 9 часов, если брать среднегодовой показатель. За один день квадратный метр поверхности преобразователя способен выработать 1 киловатт электроэнергии. Если за сутки жильцами дома израсходуется приблизительно 20 киловатт электроэнергии, то минимальная площадь солнечных панелей должна составлять приблизительно 40 квадратных метров.
Однако, такой показатель потребления электроэнергии на практике встречается редко. Как правило, жильцы израсходуют до 10 кВТ в сутки.
Если говорить о том, работают ли солнечные батареи зимой, то стоит помнить, что в данную пору года сильно снижается длительность светового дня, но, если обеспечить систему мощными аккумуляторами, то получаемой за день энергии должно быть достаточно с учетом наличия резервного аккумулятора.
При подборе солнечной батареи очень важно обращать внимание на емкость аккумуляторов. Если нужны солнечные батареи работающие ночью, то емкость резервного аккумулятора играет ключевую роль. Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке.
Несмотря на тот факт, что стоимость установки солнечных батарей может превысить 1 миллион рублей, затраты окупятся уже в течении нескольких лет, поскольку энергия солнца абсолютно бесплатна.
Видео
Как устроена солнечная батарея, расскажет наше видео.
Солнечные батареи: как это работает
Поделитесь в соцсетях:
Солнечные батареи уже сейчас используются для питания самой разнообразной техники: от мобильных гаджетов до электромобилей. Как устроены, какими бывают и на что способны современные солнечные батареи, вы узнаете из этой статьи.
История создания
Так исторически сложилось, что солнечные батареи – это уже вторая попытка человечества обуздать безграничную энергию Солнца и заставить ее работать себе на благо. Первыми появились солнечные коллекторы (солнечные термальные электростанции), в которых электричество вырабатывает нагретая до температуры кипения под сконцентрированными солнечными лучами вода.
Солнечная термальная электростанция в испанском городе Севилья
Солнечные же батареи производят непосредственно электричество, что намного эффективнее. При прямой трансформации теряется значительно меньше энергии, чем при многоступенчатой, как у коллекторов (концентрация солнечных лучей, нагрев воды и выделение пара, вращение паровой турбины и только в конце выработка электричества генератором).
Современные солнечные батареи состоят из цепи фотоэлементов – полупроводниковых устройств, преобразующих солнечную энергию напрямую в электрический ток. Процесс преобразования энергии солнца в электрической ток называется фотоэлектрическим эффектом.
Данное явление открыл французский физик Александр Эдмон Беккерель в середине XIX века. Первый же действующий фотоэлемент спустя полвека создал русский ученый Александр Столетов. А уже в двадцатом столетии фотоэлектрический эффект количественно описал не требующий представления Альберт Эйнштейн.
Беккерель, Столетов и Эйнштейн – именно этому «трио» ученых мы обязаны созданием солнечных батарей
Принцип работы
Полупроводник – это такой материал, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо наоборот, их не хватает (p-тип). Соответственно, полупроводниковый фотоэлемент состоит из двух слоев с разной проводимостью. В качестве катода используется n-слой, а в качестве анода – p-слой.
Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Именно лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку (в данном случае аккумулятор) и возвращаясь в n-слой.
Схема работы фотоэлемента
Первым в истории фотоэлектрическим материалом был селен. Именно с его помощью производили фотоэлементы в конце XIX и начале XX веков. Но учитывая крайне малый КПД (менее 1 процента), селену сразу же начали искать замену.
Массовое же производство солнечных батарей стало возможным после того как телекоммуникационная компания Bell Telephone разработала фотоэлемент на основе кремния. Он до сих пор остается самым распространенным материалом в производстве солнечных батарей. Правда, очистка кремния – процесс крайне затратный, а потому мало-помалу пробуются альтернативы: соединения меди, индия, галлия и кадмия.
Селен – исторически первый, а кремний – самый массовый материал в производстве фотоэлементов
Понятное дело, что мощности отдельных фотоэлементов недостаточно, чтобы питать мощные электроприборы. Поэтому их объединяют в электрическую цепь, тем самым формируя солнечную батарею (другое название – солнечная панель).
На каркас солнечной батареи фотоэлементы крепятся таким образом, чтобы их в случае выхода из строя можно было заменять по одному. Для защиты от воздействия внешних факторов всю конструкцию покрывают прочным пластиком или закаленным стеклом.
Мобильный телефон Samsung E1107 оснащен солнечной батареей
Существующие разновидности
Классифицируются солнечные батареи по мощности вырабатываемого электричества, которая зависит от площади панели и ее конструкции. Мощность потока солнечных лучей на экваторе достигает 1 кВт, тогда как в наших краях в облачную погоду она может опускаться ниже 100 Вт. В качестве примера возьмем средний показатель (500 Вт) и в дальнейших расчетах будем отталкиваться от него.
Наручные часы Citizen Eco-Drive с солнечной батареей вместо циферблата
Самым низким коэффициентом фотоэлектрического преобразования обладают аморфные, фотохимические и органические фотоэлементы. У первых двух типов он равен примерно 10 процентам, а у последнего – всего лишь 5 процентам. Это означает, что при мощности солнечного потока в 500 Вт солнечная панель площадью один квадратный метр будет вырабатывать соответственно 50 и 25 Вт электроэнергии.
Монтаж солнечных панелей на крыше жилого дома
В противовес вышеупомянутым типам фотоэлементов выступают солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников. Коэффициент фотоэлектрического преобразования на уровне 20%, а при благоприятных условиях — и 25% для них привычное дело. Как результат, мощность метровой солнечной панели может достигать 125 Вт.
Гоночный электромобиль Honda Dream на солнечных батареях появился еще в 1996 г.
Конкурировать по мощности с кремниевыми солнечными батареями способны разве что решения на основе арсенида галлия. Используя это соединение, инженеры научились создавать многослойные фотоэлементы с КФП свыше 30% (до 150 Вт электричества с квадратного метра).
Портативная солнечная панель Solarland мощностью 130 Вт и стоимостью $860
Если же говорить о площади солнечных батарей, то существуют как миниатюрные «пластинки» мощностью до 10 Вт (для частой транспортировки), так и широченные «листы» на 200 Вт и более (сугубо для стационарного использования).
Беспилотный самолет, разработанный NASA Ames Research Center, способен на солнечной энергии пролететь от восточного побережья США до западного
На работу солнечных батарей может негативно влиять ряд факторов. К примеру, с ростом температуры снижается КФП фотоэлементов. Это при том, что солнечные батареи как раз-то и устанавливают в жарких солнечных странах. Получается своеобразная палка о двух концах.
Солнечную батарею Voltaic можно носить у себя за спиной
А если затемнить часть солнечной панели, то неактивные фотоэлементы не только прекращают вырабатывать электричество, но и становятся дополнительной, зловредной нагрузкой.
«Солнечное дерево – культурный и одновременно научный символ австрийского городка Глайсдорф
Крупнейшие производители
Лидерами глобального производства солнечных батарей являются компании Suntech, Yingli, Trina Solar, First Solar и Sharp Solar. Первые три представляют Китай, четвертая – США, а пятая, как нетрудно догадаться, является подразделением японской корпорации Sharp.
Гольфкар на солнечных батареях – бесшумное и экологически чистое средство передвижения
Американская компания First Solar не только производит солнечные батареи, но и принимает непосредственное участие в проектировании и строительстве солнечных электростанций. Мощнейшая в мире СЭС Агуа-Калиенте, которая находится в штате Аризона, США – дело рук инженеров First Solar.
Крупнейшую же украинскую СЭС «Перово» строила и снабжала солнечными панелями австрийская компания Activ Solar.
Китайская же компания Suntech прославилась тем, что готовила к летней Олимпиаде-2008 футбольный стадион под названием «Птичье гнездо» в Пекине. Вырабатываемая на протяжении дня с помощью солнечных батарей электроэнергия аккумулируется, а затем используется для освещения стадиона, полива травы на футбольном поле и работы телекоммуникационного оборудования.
Национальный стадион в Пекине густо усеян солнечными батареями производства Suntech
Выводы
Еще два десятилетия назад диковинкой казались микрокалькуляторы с фотоэлементами, что позволяло не менять в них «батарейку-таблетку» годами. Сейчас же мобильные телефоны со встроенной в заднюю крышку солнечной панелью никого не удивляют. А ведь это мелочь в сравнении с автомобилями и самолетами (пусть и беспилотными), которые научились передвигаться при помощи одной лишь солнечной энергии.
Будущее солнечных батарей видится точно таким же светлым, как само солнце. Хочется верить, что именно солнечные батареи позволят наконец-то вылечить смартфоны и планшеты от «розеткозависимости».
Загрузка...
