Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Точка J

Обзоры и рейтинги статьи

Принцип работы солнечной батареи: как устроена 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
  • Внутреннее устройство гелиобатареи
    • Виды кристаллов фотоэлементов
    • Принцип работы солнечной панели
  • Эффективность батарей гелиосистемы
  • Схема электропитания дома от солнца
  • Выводы и полезное видео по теме

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:

  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.

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.

Строение и принцип работы солнечного элемента

В солнечных элементах и панелях (батареях) солнечных элементов для получения электрического тока используется энергия Солнца – мощность потока солнечного излучения на один квадратный метр составляет примерно 1350 Ватт.

Читайте также:  Солнечная батарея своими руками: как сделать самодельную солнечную панель

Принцип действия солнечного элемента

Строение простого солнечного элемента и основной принцип его действия следующие. Берется обычный полупроводник – две пластины, присоединенные друг к другу. Они изготовлены из кремния с добавлением в каждую из них определенных примесей, благодаря которым получаются элементы с нужными свойствами: первая пластина имеет избыток валентных электронов, у второй же, наоборот, их недостаточно. В итоге, в полупроводнике есть слой отрицательно заряженный и слой положительно заряженный, т.е. слои «n» и «p».

На самой границе соприкосновения этих пластин находится зона запирающего слоя. Этот слой препятствует переходу избыточных электронов из слоя «n» в слой «p», где электронов не хватает (места с отсутствующими электронами называют дырками). Если подключить к подобному полупроводнику внешний источник питания («+» к «p» и «-» к «n»), то внешнее электрическое поле заставит электроны преодолеть замыкающую зону и через проводник потечет ток.

Нечто подобное происходит и при действии солнечного излучения на солнечный элемент. Когда фотон света влетает в слои «n» и «p», он передает свою энергию высвобождаемым электронам (находящимся на внешней оболочке атомов), а на их месте появляется дырка. Электроны с полученной энергией свободно преодолевают запирающий слой полупроводника и переходят из слоя «p» в слой «n», а дырки, наоборот, переходят из слоя «n» в слой «p».

Этому переходу электронов их области «p» в область «n» и дырок из области «n» в область «p» также способствуют электрические поля положительных зарядов, находящийся в зоне «n» проводника и отрицательных – в зоне «p», которые будто втягивают в себя, одни – электроны, другие – дырки. В итоге, слой «n» приобретает дополнительный отрицательный заряд, а «p» – положительный. Результатом этого явления будет появление в полупроводнике разности потенциалов (напряжения) между двумя пластинами близкой к 0.5 В.

Сила электрического тока, который может генерировать солнечный элемент, изменяется пропорционально количеству захваченных поверхностью фотоэлемента фотонов. Этот показатель, в свою очередь, также зависит от множества дополнительных факторов: интенсивности светового излучения, площади фотоэлемента, времени эксплуатации, КПД устройства, зависит от температуры (при ее повышении, проводимость фотоэлемента значительно падает).

Вот почему нужно помнить о следующем: солнечные элементы (фотоэлементы, батареи) не способны быть очень мощными, они не могут работать в непрерывном режиме (через естественную смену дня и ночи), для стабилизации основных параметров – силы тока и напряжения – появляется необходимость в использовании дополнительных устройств (стабилизаторы, аккумуляторы и т.д.).

Но как дополнительный источник электроэнергии они прекрасно могут использоваться в тех местах, где требуются небольшие мощности и нет возможности подключится к городской электромагистрали. При совмещении работы солнечного элемента и электрического аккумулятора, получается полностью автономная система электроснабжения, которую можно использовать в районах с хорошей солнечной освещенностью и потребностью в малых электрических мощностях.

Строение солнечного элемента

На изображении, показанном выше, можно видеть, что верхний слой p-n перехода, который имеет избыток электронов, соединен с металлическими пластинами, которые выполняют роль положительного электрода, пропуская свет и добавляя элементу дополнительную жесткость. Нижний слой в конструкции солнечного элемента имеет недостаток электронов, к нему приклеена сплошная металлическая пластина, выполняющая функцию отрицательного электрода.

Считается, что в идеале солнечная батарея имеет близкий к 20% КПД. Однако на практике и по данным специалистов сайта www.sun-battery.biz он примерно равен всего 10%, при том, что для некоторых солнечных батарей он больше, для некоторых меньше. В основном это зависит от технологии, по которой выполнен pn переход. Наиболее применяемыми и имеющими наибольший процент КПД, продолжают быть солнечные батареи, изготовленные на основе монокристалла или поликристалла кремния. Причем вторые из-за относительной дешевизны становятся все более распространенными.

К какому типу конструкции солнечная батарея относится можно определить невооруженным глазом. Монокристаллические имеют исключительно черно-серый цвет, а модели на основе поликристалла кремния выделяет синяя поверхность. Поликристаллические солнечные батареи изготавливаются методом литья, они оказались дешевле в производстве. Однако и в поли-, и в монокристаллических пластин есть один недостаток – конструкции солнечных батарей на их основе не имеют гибкости, которая в некоторых случаях нужна.

Ситуация изменилась с появлением в 1975 году солнечного элемента на основе аморфного кремния, активный элемент которого имеет толщину от 0,5 до 1 мкм и обеспечивает ей гибкость. Толщина обычных кремниевых элементов достигает 300 мкм. Однако, несмотря на свойство аморфного кремния поглощать свет, которая примерно в 20 раз выше, чем у обычного кремния, эффективность солнечных батарей такого типа не превышает 12%. Для моно-и поликристаллических вариантов он может достигать 17% и 15% соответственно.

Материал, из которого изготовлены пластины, влияет на характеристики солнечных батарей.

Чистый кремний в производстве пластин для солнечных батарей практически не используется. Чаще всего в качестве добавок для изготовления пластины, которая производит положительный заряд, используется бор, а для отрицательно заряженных пластин – мышьяк. Кроме них при производстве солнечных батарей все чаще используются такие компоненты, как арсенид, галлий, медь, кадмий, теллурид, селен и другие. Благодаря им солнечные батареи становятся менее чувствительными к перепадам окружающих температур.

Большинство солнечных батарей могут накапливать энергию, представляя собой так называемые системы. Учитывая, что солнечные элементы производят электрический ток только при прямом воздействии солнечных лучей или света, ночью или в пасмурный день они становятся практически ненужными. С системами на солнечных батареях все по-другому. Они оборудованы аккумулятором, способным накапливать электрический ток днем, когда солнечная батарея его производит, а ночью накопленный заряд может отдаваться потребителям.

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).
    Читайте также:  Схема подключения солнечных батарей: сборка системы с аккумулятором

    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:

    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.

    Как устроены и работают солнечные батареи

    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.

    Э.д.с. (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.

    Читайте также:  Виды биотоплива: сравнение твердого, жидкого, газообразного

    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 э.д.с. – 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. Диоды должны быть низкоомными, чтобы уменьшить на них падение напряжения. Для этих целей в последнее время используют диоды Шоттки.

    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 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.

    Ссылка на основную публикацию