Принцип работы солнечной батареи и ее устройство
Относительно недавно считалась фантастической сама идея обеспечивать частные дома электричеством автономно. Сегодня это объективная реальность. В Европе солнечные батареи используются уже продолжительное время, ведь это практически неисчерпаемый источник дешевой энергии. У нас получение электричества от таких устройств только обретает популярность. Данный процесс происходит не слишком быстро, и виной тому – высокая стоимость их.
Принцип работы солнечной батареи основан на том, что в двух кремниевых пластинах, покрытых разными веществами (бором и фосфором), под действием солнечного света возникает электрический ток. В пластине, которая покрыта фосфором, появляются свободные электроны. 
Отсутствующие частицы образуются в тех пластинах, которые покрыты бором. Электроны начинают двигаться под действием света солнца. Так образуется электрический ток в солнечных батареях. Тонкие жилы из меди, которыми покрыта каждая батарея, отводят от нее ток и направляют по назначению.
С помощью одной пластины можно питать энергией небольшую лампочку. Вывод напрашивается сам собой. Для того, чтобы солнечные батареи обеспечивали дом электричеством достаточной мощности, нужно чтобы их площадь была довольно большой.
Кремниевые механизмы
Итак, принцип работы солнечной батареи понятен. Ток вырабатывается при воздействии ультрафиолетового света на специальные пластины. Если в качестве материала для создания таких пластин используется кремний, то батареи называются кремниевыми (или кремневодородными).
Подобные пластины требуют очень сложных систем производства. Это, в свою очередь, сильно влияет на стоимость изделий.
Кремниевые солнечные батареи бывают разных типов.
Монокристаллические преобразователи
Представляют собой панели со скошенными углами. Их цвет всегда чисто черный.
Если говорить о монокристаллических преобразователях, то принцип работы солнечной батареи кратко можно охарактеризовать как средне эффективный. Все ячейки светочувствительных элементов такой батареи направлены в одну сторону. 
Это позволяет получить самый высокий результат среди подобных систем. КПД батарей этого типа достигает 25%.
Минусом является то, что такие панели должны быть всегда обращены лицевой стороной к солнцу.
Если солнце прячется за тучами, опускается к горизонту, или еще не успело взойти, то батареи будут вырабатывать ток довольно слабой мощности.
Поликристаллические
Пластины этих механизмов всегда квадратные, темно-синего цвета. В состав их поверхности включены неоднородные кристаллы кремния.
КПД поликристаллических батарей не настолько высок, как у монокристаллических моделей. Он может достигать 18%. Однако этот недостаток компенсируется достоинствами, о которых будет сказано ниже.
Принцип работы солнечной батареи этого типа позволяет изготавливать их не только из чистого кремния, но также из вторичных материалов. Этим объясняются некоторые дефекты, встречающиеся в оборудовании. Отличительной особенностью механизмов данного типа является то, что они могут достаточно эффективно вырабатывать электрический ток даже при пасмурной погоде. Такое полезное качество делает их незаменимыми в местах, где рассеянный солнечный свет является обычным повседневным явлением.
Аморфные панели из кремния
Аморфные панели дешевле остальных, это обуславливает принцип работы солнечной батареи и ее устройство. Каждая панель состоит из нескольких тончайших слоев кремния. Их изготавливают путем напыления частиц материала в вакууме на фольгу, стекло или пластмассу.
КПД панелей значительно меньше, чем у предыдущих моделей. Он достигает 6%. Кремниевые слои довольно быстро выгорают на солнце. Уже через полгода использования этих батарей их эффективность упадет на 15%, а иногда и на все 20.
Два года работы полностью исчерпают ресурс действующих веществ, и панель нужно будет менять.
Но есть два плюса, из-за которых эти батареи все же покупают. Во-первых, они работают даже в пасмурную погоду. Во-вторых, как уже говорилось, они не такие дорогие, как другие варианты.
Фотопреобразователи гибридного типа
Аморфный кремний является основой для расположения микрокристаллов. Принцип работы солнечной батареи делает ее похожей на поликристаллическую панель. Отличие батарей такого типа состоит в том, что они способны вырабатывать электрический ток большей мощности в условиях рассеянного солнечного света, например, в пасмурный день или на рассвете.
Кроме того, батареи работают под воздействием не только солнечного света, но и в инфракрасном спектре.
Полимерные пленочные солнечные преобразователи
У этой альтернативы панелям из кремния есть все шансы занять лидирующее положение на рынке солнечных батарей. Они напоминают пленку, состоящую из нескольких слоев. Среди них можно выделить сетку алюминиевых проводников, полимерный слой активного вещества, подложка из органики и защитной пленки.
Такие фотоэлементы, объединенные друг с другом, образуют пленочную солнечную батарею рулонного типа. Эти панели легче и компактнее кремниевых. При их изготовлении не используется дорогостоящий кремний, и сам процесс производства не такой затратный. Это делает рулонную панель дешевле всех прочих.
Принцип работы солнечной батареи делает их КПД не слишком высоким.
Он достигает 7%.
Процесс изготовления панелей этого типа сводится к многослойному печатанию на пленку фотоэлемента. Производство налажено в Дании.
Еще одним преимуществом является возможность резать рулонную батарею и подгонять ее под любой размер и форму.
Минус лишь один. Батареи только начали производить, поэтому еще довольно непросто ими обзавестись. 
Но есть повод полагать, что эти элементы быстро обретут заслуженную хорошую репутацию среди потребителей, что даст изготовителям возможность наладить производство в более крупных масштабах.
Отопление солнечной энергией домов
Принцип работы солнечной батареи для отопления дома кардинально отличает их от всех описанных выше приспособлений. Это совершенно другое устройство. Описание следует ниже.
Главной деталью отопительной системы, работающей на энергии солнца, является коллектор, принимающий его свет и преобразовывающий его в кинетическую энергию. Площадь этого элемента может варьироваться от 30 до 70 квадратных метров.
Для крепления коллектора используется специальная техника. Между собой пластины соединены металлическими контактами.
Следующим компонентом системы является накопительный бойлер. В нем происходит трансформация кинетической энергии в тепловую. Он участвует в нагревании воды, литраж которой может достигать 300 литров. Иногда такие системы поддерживаются дополнительными котлами на сухом топливе.
Завершают систему солнечного отопления настенные и напольные элементы, в которых по тонким медным трубам, распределенным по всей их площади, циркулирует нагретая жидкость. Благодаря низкой температуре запуска панелей и равномерности теплоотдачи, помещение прогревается достаточно быстро.
Как работает солнечное отопление?
Давайте подробно рассмотрим принцип работы солнечных батарей от ультрафиолетового света.
Между температурой коллектора и накопительного элемента появляется разница. Носитель тепла, что чаще всего является водой, в которую добавлен антифриз, начинает циркулировать о системе. Совершаемая жидкостью работа является именно кинетической энергией.
По мере прохождения жидкости через слои системы кинетическая энергия преобразовывается в тепло, которое и используется для отопления дома. Этот процесс циркуляции носителя обеспечивает помещение теплом и позволяет сохранять его в любое время суток и года.
Итак, мы выяснили принцип работы солнечных батарей.
fb.ru
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.
Содержание статьи:
Солнечные батареи: терминология
В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.
По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.
Максимум отдачи от солнечной панели можно будет получить, только зная, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как все это правильно подключается
Вначале следует разобраться в существующих разновидностях оборудования для гелиоэнергетики. Солнечные батареи и солнечные коллекторы – это два принципиально разных устройства. Оба они преобразуют энергию лучей солнца.
Однако в первом случае на выходе потребитель получает энергию электрическую, а во втором тепловую в виде нагретого теплоносителя.
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.
Солнечной панелью генерируется постоянный электроток. Чтобы преобразовать его в переменный (используемый в быту), в схеме должен присутствовать инвертор
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.
Гелиобатарея состоит из множества фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей ФЭП), преобразующих энергию фотонов с солнца в электроэнергию
Каждая солнечная батарея устроена как блок из энного количества модулей, которые объединяют в себе последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Чтобы понять принципы функционирования такой батареи, необходимо разобраться в работе этого конечного звена в устройстве гелиопанели, созданного на базе полупроводников.
Виды кристаллов фотоэлементов
Вариантов ФЭП из разных химических элементов существует огромное количество. Однако большая их часть – это разработки на начальных стадиях. В промышленных масштабах сейчас выпускаются пока что только панели из фотоэлементов на основе кремния.
Кремниевые полупроводники используются при изготовлении солнечных батарей из-за своей дешевизны, особо высоким КПД они похвастаться не могут
Обычный фотоэлемент в гелиопанели – это тонкая пластина из двух слоев кремния, каждый из которых имеет свои физические свойства. Это классический полупроводниковый p-n-переход с электронно-дырочными парами.
При попадании на ФЭП фотонов между этими слоями полупроводника из-за неоднородности кристалла образуется вентильная фото-ЭДС, в результате чего возникает разность потенциалов и ток электронов.
Кремниевые пластины фотоэлементов различаются по технологии изготовления на:
- Монокристаллические.
- Поликристаллические.
Первые имеют более высокий КПД, но и себестоимость их производства выше, нежели у вторых. Внешне один вариант от другого на солнечной панели можно различить по форме.
У монокристаллических ФЭП однородная структура, они выполняются в виде квадратов со срезанными углами. В отличие от них поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму.
Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого.
Но производительность в плане выработки электроэнергии из солнечных лучей у них редко превышает 15%. Связано это с “нечистотой” получаемых кремниевых пластин и внутренней их структурой. Здесь чем чище p-слой кремния, тем более высокий выходит КПД у ФЭП из него.
Чистота монокристаллов в этом отношении гораздо выше, нежели у поликристаллических аналогов. Их делают не из расплавленного, а из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования у таких ФЭП уже достигает 20-22%.
В общий модуль отдельные фотоэлементы собираются на алюминиевой раме, а для защиты их сверху закрывают прочным стеклом, которое нисколько не препятствует солнечным лучам
Обращенный к солнцу верхний слой пластинки-фотоэлемента делается из того же кремния, но уже с добавлением фосфора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.
Принцип работы солнечной панели
При падении солнечных лучей на фотоэлемент в нем генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и «дырки» частично переносятся через p-n-переход из одного слоя полупроводника в другой.
В итоге во внешней цепи появляется напряжение. При этом на контакте p-слоя формируется положительный полюс источника тока, а на n-слоя – отрицательный.
Разность потенциалов (напряжение) между контактами фотоэлемента появляется из-за изменения числа «дырок» и электронов с разных сторон p-n-перехода в результате облучения n-слоя солнечными лучами
Подключенные к внешней нагрузке в виде аккумулятора фотоэлементы образуют с ним замкнутый круг. В результате солнечная панель работает, как своеобразное колесо, по которому вместе белки “бегают” электроны. А аккумуляторная батарея при этом постепенно набирает заряд.
Стандартные кремниевые фотоэлектрические преобразователи являются однопереходными элементами. Переток в них электронов происходит только через один p-n-переход с ограниченной по энергетике фотонов зоной этого перехода.
То есть каждый такой фотоэлемент способен генерировать электроэнергию только от узкого спектра солнечного излучения. Вся остальная энергия пропадает впустую. Поэтому-то и эффективность у ФЭП так низка.
Чтобы повысить КПД солнечных батарей, кремниевые полупроводниковые элементы для них в последнее время стали делать многопереходными (каскадными). В новых ФЭП переходов уже несколько. Причем каждый из них в этом каскаде рассчитан на свой спектр солнечных лучей.
Суммарная эффективность преобразования фотонов в электроток у таких фотоэлементов в итоге возрастает. Но и цена их значительно выше. Здесь либо простота изготовления с невысокой себестоимостью и низким КПД, либо более высокая отдача вкупе с высокой стоимостью.
Солнечная батарея может работать как летом, так и зимой (ей нужен свет, а не тепло) – чем меньше облачность и ярче светит солнце, тем больше гелиопанель сгенерирует электрического тока
При работе фотоэлемент и вся батарея постепенно греется. Вся та энергия, что не пошла на генерацию электротока, трансформируется в тепло. Часто температура на поверхности гелиопанели поднимается до 50–550С. 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.
Гелиопанели выпускаются с расчетом на выходное напряжение, кратное 12 В – если на аккумулятор надо подать 24 В, то две панели к нему придется подсоединить параллельно
Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться контроллером управления, который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.
Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею – прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.
Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени.
Для московского региона – это приблизительно 40–45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.
И еще один момент – пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую “грязную” преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно.
Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред.
Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.
Солнце батарею из фотоэлементов в идеале должно освещать равномерно. Если один из ее участков оказывается затемненным, то неосвещенные ФЭП превращаются в паразитную нагрузку. Они не только в подобной ситуации не генерируют энергию, но еще и забирают ее у работающих элементов.
Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.
Схема электропитания дома от солнца
Система солнечного электроснабжения включает:
- Гелиопанели.
- Контроллер.
- Аккумуляторы.
- Инвертор (трансформатор).
Контроллер в этой схеме защищает как солнечные батареи, так и АКБ. С одной стороны он препятствует протеканию обратных токов по ночам и в пасмурную погоду, а с другой – защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.
Аккумуляторные батареи для гелиопанелей следует подбирать одинаковые по возрасту и емкости, иначе зарядка/разрядка будут происходить неравномерно, что приведет к резкому снижению срока их службы
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.
sovet-ingenera.com
Схема устройства солнечной батареи и принцип работы
Альтернативные источники энергии, преобразующие солнечный свет в электричество, становятся все более востребованными в быту и промышленности. Они используются в авиации, космических разработках, электронике, для создания экологически безопасного транспорта. Но самой перспективной считается отрасль энергообеспечения зданий: питание бытовых приборов и системы отопления дома, нагрев горячей воды. К преимуществам относят: независимость от времени года и коммунальных служб, возможность аккумулирования запаса энергии, надежность и долгий срок службы. Но для достижения максимального эффекта от применения важно знать принцип действия батарей и соблюдать условия их монтажа и эксплуатации.
Оглавление:
- Конструкция и виды
- Как это работает?
- Методы улучшения эффективности функционирования
Описание устройства, разновидности
Фотоэлектрические преобразователи или солнечные аккумулирующие батареи представляют собой пластину со свойствами полупроводника, вырабатывающую постоянный ток при попадании на нее световых лучей. Основой может быть кремний (наиболее распространенный вид) и его соединения с медью, галлием, кадмием, индием, амфорные, органические или химические фотоэлементы, полимерная пленка.
Каждый материал имеет свой коэффициент ФЭП солнечных лучей (от 5 до 30 %) и, как следствие — вырабатывает определенную мощность при равной интенсивности светового потока. Многое зависит от площади батареи, одиночный кристалл полупроводника производит незначительное количество энергии, в среднем для получения 0,15 кВт потребуется 1 м2 панели. Исключение составляют инновационные многослойные полимерные соединения (монокристаллы), их КПД достигает 30 %, но эта технология еще недоступна рядовому потребителю.
Помимо пластины, в схему солнечной батареи входят вспомогательные приборы (для передачи, распределения и аккумулирования энергии):
- Инвертор или преобразователь постоянного тока.
- Накопитель для бесперебойной работы системы в ночное время или в пасмурную погоду.
- Стабилизатор напряжения.
- Контроллер для отслеживания заряда.
В зависимости от площади используются миниатюрные маломощные батареи (до 10 Вт) либо большие стационарные панели. Первые относятся к переносным (популярны для зарядки ноутбука, калькулятора, мобильных устройств). Вторые чаще служат для энергоснабжения и отопления дома, размещаются обычно на крыше. Так как мощность батарей полностью пропорциональна солнечной интенсивности, стало целесообразным размещать отслеживающие панели (изменяющие угол расположения, в зависимости от движения Солнца). Толщина вариантов из полупроводника незначительна (от 10 мкм до 10 см), но с учетом вспомогательных приборов модули весят больше, что учитывается при просчете нагрузки на стропила и поверхность крыши.
Принцип фотоэлектрического преобразования
Для того чтобы понять как работает солнечная батарея, следует вспомнить школьный курс физики. При попадании света на пластину из двух слоев полупроводников разной проводимости возникает эффект p-n перехода, электроны из катода покидают свои атомы и захватываются на уровне анода. При подключении в схему нагрузки (аккумулятора) они отдают свою положительно заряженную энергию и возвращаются в n-слой. Это явление более известно как «внешний фотоэффект», а двухслойная пластина как «фотоэлемент». Чаще всего применяется один и тот же материал: базовый полупроводник с определенным типом проводимости покрывается слоем с противоположным зарядом, но с высокой концентрацией легирующих примесей.
Этот принцип работы солнечных батарей неизменен с момента открытия эффекта; именно на границе зон осуществляется электронно-дырочный переход. При воздействии солнечных лучей в обоих направлениях проходит движение разнозаряженных частиц, при замыкании контура ФЭП они осуществляют работу на нагрузку. Для полноценной передачи (сбора и отвода электронов) используется контактная система (внешняя сторона батареи напоминает сетку или гребенку, а тыльная обычно сплошная). Чем выше площадь p-n перехода и коэффициент фотоэлектрического преобразования полупроводника, тем большую мощность производит устройство. Физическое явление и принцип работы не зависят от температуры воздуха, важна лишь интенсивность солнечного света. Как следствие, на величину КПД панели оказывают влияние погодные условия, климат, сезон, географическая широта.
Способы повысить эффективность батареи
Даже в средней полосе России установка солнечных аккумуляторов окупается за 3–5 лет, ведь лучи абсолютно бесплатны и доступны круглый год. Но для полноценного отопления дома в 100 м2 полезной площади потребуется около 30 м2 панелей. Для усиления принципа фотоэффекта рекомендуется провести следующие работы:
- Разместить батареи на южной стороне под углом не менее 30°.
- Не монтировать солнечные панели под тенью высоких деревьев.
- Раз в 2 года очищать поверхность от грязи.
- Установить отслеживающие солнечный свет системы.
Полностью отказываться от внешнего энергоснабжения не стоит, даже современные комплексы не способны аккумулировать достаточное количество энергии для полноценного обеспечения здания при длительной непогоде. Лучше всего использовать их как часть комбинированной системы.
termoframe.ru
Принцип работы и устройство солнечной батареи
Принцип работы и устройство солнечной батареи
В профессиональных кругах панели, преобразующие солнечный свет в электроэнергию, называют фотоэлектрическими преобразователями, которые в разговорной речи или при написании понятных для широких масс статей принято называть солнечными батареями. Принцип работы этих устройств, первые рабочие экземпляры которых появились достаточно давно, на самом деле достаточно простой для понимания человеком, имеющим только знания со школьной скамьи.
Не секрет, что p-n переход может преобразовывать свет в электроэнергию. В школьных опытах нередко проводят эксперимент с транзистором со спиленной верхней крышкой, позволяющей свету падать на p-n переход. Подключив к нему вольтметр, можно зафиксировать, как при облучении светом такой транзистор выделяет мизерный электрический ток. А если увеличить площадь p-n перехода, что в таком случае произойдет? В ходе научных экспериментов прошлых лет, специалисты изготовили p-n переход с пластинами большой площади, вызвав тем самым появление на свет фотоэлектрических преобразователей, называемых солнечными батареями.
Принцип действия современных солнечных батарей сохранился, несмотря на многолетнюю историю их существования. Усовершенствованию подверглась лишь конструкция и материалы, используемые в производстве, благодаря которым производители постепенно увеличивают такой важный параметр, как коэффициент фотоэлектрического преобразования или КПД устройства. Стоит также сказать, что величина выходного тока и напряжения солнечной батареи напрямую зависит от уровня внешней освещенности, который воздействует на неё.
В структуре солнечной батареи используется p-n переход и пара электродов для снятия выходного напряжения
На картинке выше можно видеть, что верхний слой p-n перехода, который обладает избытком электронов, соединен с металлическими пластинами, выполняющими роль положительного электрода, пропускающими свет и придающими элементу дополнительную жесткость. Нижний слой в конструкции солнечной батареи имеет недостаток электронов и к нему приклеена сплошная металлическая пластина, выполняющая функцию отрицательного электрода.
Технология, по которой изготовлена солнечная батарея, влияет на её КПД
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 каких солнечных батарей больше, для каких то меньше. В основном это зависит от технологии, по которой выполнен p-n переход. Самыми ходовыми и имеющими наибольший процент КПД продолжают являться солнечные батареи, изготовленные на основе монокристалла или поликристалла кремния. Причем вторые из-за относительной дешевизны становятся все распространеннее. К какому типу конструкции солнечная батарея относится можно определить невооруженным глазом. Монокристаллические светопреобразователи имеют исключительно чёрно-серый цвет, а модели на основе поликристалла кремния выделяет синяя поверхность. Поликристаллические солнечные батареи, изготавливаемые методом литья, оказались более дешевыми в производстве. Однако и у поли- и монокристаллических пластин есть один недостаток — конструкции солнечных батарей на их основе не обладают гибкостью, которая в некоторых случаях не помешает.
Ситуация меняется с появлением в 1975 году солнечной батареи на основе аморфного кремния, активный элемент которых имеет толщину от 0,5 до 1 мкм, обеспечивая им гибкость. Толщина обычных кремниевых элементов достигает 300 мкм. Однако, несмотря на светопоглощаемость аморфного кремния, которая примерно в 20 раз выше, чем у обычного, эффективность солнечных батарей такого типа, а именно КПД не превышает 12 %. Для моно- и поликристаллических вариантов при всем этом 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 примесей для изготовления пластины, вырабатывающей 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 ним солнечные батареи становятся менее чувствительными к перепадам окружающих температур.
Большинство солнечных батарей могут накапливать энергию, представляя собой системы
В современном мире отдельно от других устройств солнечные батареи используются все реже, чаще представляя собой так называемые системы. Учитывая, что фотоэлектрические элементы вырабатывают электрический ток только при прямом воздействии солнечных лучей или света, ночью или в пасмурный день они становятся практически бесполезными. С системами на солнечных батареях всё иначе. Они оборудованы аккумулятором, способным накапливать электрический ток днем, когда солнечная батарея его вырабатывает, а ночью, накопленный заряд может отдавать потребителям.
Солнечная система представляет собой совокупность солнечной батареи и аккумулятора
Для увеличения мощности, выходного напряжения и тока на основе солнечных батарей создаются панели, где отдельные элементы соединяются последовательно или параллельно.
www.sun-battery.biz
Солнечные батареи для дачи и дома: принцип работы и устройство
Наука подарила нам время, когда технология использования энергии солнца стала общедоступной. Заполучить солнечные батареи для дома имеет возможность всякий собственник. Дачники не отстают в этом вопросе. Они чаще оказываются вдали от централизованных источников устойчивого электроснабжения.
Познание устройства, принципов работы и расчета рабочих узлов гелиосистемы приближает реальность обеспечения своего участка природным электричеством.
Содержание статьи:
Устройство и действие солнечной батареи
Когда-то пытливые умы открыли для нас природные вещества, вырабатывающие под воздействием частиц света солнца, фотонов, электрическую энергию. Процесс назвали фотоэлектрическим эффектом. Ученые научились управлять микрофизическим явлением. На основе полупроводниковых материалов они создали компактные электронные приборы – фотоэлементы.
Производители освоили технологию объединения миниатюрных преобразователей в эффективные гелиопанели. КПД панельных солнечных модулей из кремния широко производимых промышленностью 18-22%.
Из описания схемы наглядно видно: все комплектующие элементы электростанции одинаково важны – от их грамотного подбора зависит согласованная работа системы (+)
Из модулей собирается солнечная батарея. Она является конечным пунктом путешествия фотонов от Солнца до Земли. Отсюда эти составляющие светового излучения продолжают свой путь уже внутри электрической цепи как частицы постоянного тока.
Они распределяются по аккумуляторам, либо подвергаются трансформации в заряды переменного электротока напряжением 220 вольт, питающего всевозможные домашние технические устройства.
Солнечная батарея представляет собой комплекс последовательно соединенных полупроводниковых устройств — фотоэлементов, преобразующих солнечную энергию в электрическую
Виды солнечных модулей-панелей
Гелиопанели-модули собираются из солнечных элементов, иначе – фотоэлектрических преобразователей. Массовое применение нашли ФЭП двух видов. Они отличаются используемыми для их изготовления разновидностями полупроводника из кремния, это:
- Поликристаллические. Это солнечные элементы, изготовленные из кремниевого расплава путем длительного охлаждения. Несложный метод производства обуславливает доступность цены, но производительность поликристаллического варианта не превышает 12%.
- Монокристаллические. Это элементы, полученные в результате нарезки на тонкие пластины искусственно выращенного кремниевого кристалла. Самый продуктивный и дорогой вариант. Средний КПД в районе 17 %, можно найти монокристаллические фотоэлементы с более высокой производительностью.
Поликристаллические солнечные элементы плоской квадратной формы с неоднородной поверхностью. Монокристаллические выглядят как тонкие однородной поверхностной структуры квадраты со срезанными углами (псевдоквадраты).
Так выглядят ФЭП – фотоэлектрические преобразователи: характеристики солнечного модуля не зависят от разновидности применяемых элементов – это влияет лишь на размеры и цену
Панели первого исполнения при одинаковой мощности больше размером, чем вторые из-за меньшей эффективности (18% против 22%). Но процентов, в среднем, на десять дешевле и пользуются преимущественным спросом.
Галерея изображений
Фото из
Монокристаллический элемент солнечной батареи
Минусовые токоведущие линии на пластине
Поликристаллические элементы для сборки солнечной батареи
Стороны поликристаллического элемента гелиосистемы
Схема работы солнечного электроснабжения
Когда проводишь взглядом по загадочно звучащим названиям узлов, входящих в состав системы питания солнечным светом, приходит мысль о супертехнической сложности устройства. На микроуровне жизни фотона это так. А наглядно общая схема электрической цепи и принцип ее действия выглядят очень даже просто. От светила небесного до «лампочки Ильича» всего четыре шага.
Солнечные модули – первая составляющая электростанции. Это тонкие прямоугольные панели, собранные из определенного числа стандартных пластин-фотоэлементов. Производители делают фотопанели различными по электрической мощности и напряжению, кратному 12 вольтам.
Галерея изображений
Фото из
Установка солнечных панелей на скатах крыши
Монтаж на террасах, верандах, балконах мансард
Гелиосистема на покатой крыше пристройки
Внутренний блок солнечной мини электростанции
Расположение на свободной площадке участка
Сооруженный на улице блок аппаратуры для батареи
Сборка солнечной панели из готовых батарей
Изготовление солнечной батареи своими руками
Устройства плоской формы удобно располагаются на открытых для прямых лучей поверхностях. Модульные блоки объединяются при помощи взаимных подключений в гелиобатарею. Задача батареи преобразовывать получаемую энергию солнца, выдавая постоянный ток заданной величины.
Аккумуляторы – известные всем устройства накопления электрического заряда. Их роль внутри системы энергоснабжения от солнца традиционна. Когда домашние потребители подключены к централизованной сети, энергонакопители запасаются электричеством. Они также аккумулируют его излишки, если для обеспечения расходуемой электроприборами мощности достаточно тока солнечного модуля.
Аккумуляторный блок отдает цепи требуемое количество энергии и поддерживает стабильное напряжение, как только потребление в ней возрастает до повышенного значения. То же происходит, например, ночью при неработающих фотопанелях или во время малосолнечной погоды.
Схема энергообеспечения дома с помощью солнечных батарей отличается от вариантов с коллекторами возможностью накапливать энергию в аккумуляторе (+)
Контроллер – электронный посредник между солнечным модулем и аккумуляторами. Его роль регулировать уровень заряда аккумуляторных батарей. Прибор не допускает их закипания от перезарядки или падения электрического потенциала ниже определенной нормы, необходимой для устойчивой работы всей гелиосистемы.
Инвертор – переворачивающий, так дословно объясняется звучание этого слова. Да, ведь на самом деле, этот узел выполняет функцию, когда-то казавшуюся электротехникам фантастикой. Он преобразует постоянный ток солнечного модуля и аккумуляторов в переменный с разностью потенциалов 220 вольт. Именно такое напряжение является рабочим для подавляющей массы бытовых электроустройств.
Поток солнечной энергии пропорционален положению светила: устанавливая модули, хорошо бы предусмотреть регулировку угла наклона в зависимости от времени года
Пиковая нагрузка и среднесуточное энергопотребление
Удовольствие иметь собственную гелиостанцию стоит пока немало. Первая ступень на пути к обладания могуществом энергии солнца – определение оптимальной пиковой нагрузки в киловаттах и рационального среднесуточного энергопотребления в киловатт-часах домашнего или дачного хозяйства.
Пиковая нагрузка создается необходимостью включения сразу нескольких электрических приборов и определяется их максимальной суммарной мощностью с учетом завышенных пусковых характеристик некоторых из них.
Подсчет максимума потребляемой мощности позволяет выявить, жизненно нужна одновременная работа каких электроприборов, а которых не очень. Такому показателю подчиняются мощностные характеристики узлов электростанции, то есть итоговая стоимость устройства.
Суточное энергопотребление электроприбора измеряется произведением его индивидуальной мощности на время, что он проработал от сети (потреблял электроэнергию) в течение суток.
Общее среднесуточное энергопотребление рассчитывается как сумма израсходованной энергии электричества каждым потребителем за суточный период.
Последующий анализ и оптимизация полученных данных о нагрузках и энергопотреблении обеспечат нужную комплектацию и последующую работу солнечной энергосистемы с минимальными затратами (+)
Результат потребления энергии помогает рационально подойти к расходу солнечного электричества. Итог вычислений важен для дальнейшего расчета емкости аккумуляторов. От этого параметра цена аккумуляторного блока, немало стоящего компонента системы, зависит еще больше.
Порядок расчета энергетических показателей
Процесс вычислений в буквальном смысле начинается с горизонтально расположенного, в клеточку, развернутого тетрадного листа. Легкими карандашными линиями из листка получается бланк с тридцатью графами, а строками по количеству домашних электроприборов.
Подготовка к арифметическим расчетам
Первая колонка чертится традиционная – порядковый номер. Второй столбик – наименование электроприбора. Третий – его индивидуальная потребляемая мощность.
Столбцы с четвертого по двадцать седьмой – часы суток от 00 до 24. В них через горизонтальную дробную черту заносятся:
— в числитель – время работы прибора в период конкретного часа в десятичном виде (0,0),
— в знаменатель – вновь его индивидуальная потребляемая мощность (это повторение нужно для подсчета часовых нагрузок).
Двадцать восьмая колоночка – суммарное время, которое работает бытовое устройство в течение суток. В двадцать девятую – записывается персональное энергопотребление прибора как результат умножения индивидуальной потребляемой мощности на время работы за суточный период.
Составление развернутой спецификации потребителей с учетом почасовых нагрузок поможет оставить больше привычных приборов, благодаря их рациональному использованию (+)
Тридцатая колонка тоже стандартная – примечание. Она пригодится для промежуточных подсчетов.
Составление спецификации потребителей
Следующий этап расчетов – превращение тетрадного бланка в спецификацию бытовых потребителей электроэнергии. С первой колонкой понятно. Здесь проставляются порядковые номера строк.
Во втором столбике вписываются наименования потребителей энергии. Рекомендуется начинать заполнение электроприборами прихожей. Далее описываются другие помещения против или по часовой стрелке (кому как удобно). Если есть второй (и т.д.) этаж, процедура та же: от лестницы – вкруговую. При этом не надо забывать про приборы на лестничных пролетах и уличное освещение.
Третью графу с указанием мощности напротив названия каждого электрического прибора лучше наполнять попутно со второй.
Столбцы с четвертого по двадцать седьмой соответствуют всякий своему часу суток. Для удобства их сразу можно прочеркнуть горизонтальными линиями посередине строк. Полученные верхние половины строчек – как бы числители, нижние – знаменатели.
Эти столбцы заполняются построчно. Числители выборочно оформляются как временные интервалы десятичного формата (0,0), отражающие время работы данного электроприбора в тот или иной конкретный часовой период. Параллельно там, где проставляются числители, вписываются знаменатели с показателем мощности прибора, взятой из третьей графы.
После того, как все часовые столбцы заполнены, переходят к подсчетам индивидуального суточного рабочего времени электроприборов, двигаясь по строчкам. Результаты фиксируются в соответствующих ячейках двадцать восьмой колоночки.
В случае, когда солнечная электростанция играет вспомогательную роль, чтобы система не работала вхолостую, часть нагрузки можно подключить к ней на постоянное питание (+)
На основе мощности и рабочего времени последовательно вычисляется суточное энергопотребление всех потребителей. Оно отмечается в ячеях двадцать девятого столбика.
Когда все строки и столбики спецификации заполнены, производят расчеты итогов. Складывая пографно мощности из знаменателей часовых столбцов, получают нагрузки каждого часа. Просуммировав сверху вниз индивидуальные суточные энергопотребления двадцать девятой колоночки, находят общее среднесуточное.
Расчет не включает собственное потребление будущей системы. Этот фактор учитывается вспомогательным коэффициентом при последующих итоговых вычислениях.
Анализ и оптимизация полученных данных
Если питание от гелиоэлектростанции планируется как резервное, данные о почасовых потребляемых мощностях и об общем среднесуточном энергопотреблении помогают минимизировать расход дорогого солнечного электричества. Этого добиваются, исключая из пользования энергоемкие потребители до момента восстановления централизованного электроснабжения, особенно в часы максимальных нагрузок.
Если солнечная энергосистема проектируется как источник постоянного электрообеспечения, тогда результаты часовых нагрузок выдвигаются вперед. Важно так распределить потребление электричества в течение суток, чтобы убрать намного преобладающие максимумы и сильно проваливающиеся минимумы.
Исключение пиковой, выравнивание максимальных нагрузок, устранение резких провалов энергопотребления во времени позволяют подобрать наиболее экономичные варианты узлов солнечной системы и обеспечивают стабильную, главное, безаварийную долговременную работу гелиостанции.
График раскроет неравномерность энергопотребления: наша задача – сдвинуть максимумы на время наибольшей активности солнца и уменьшить общий суточный расход, особенно ночной.
Представленный чертеж показывает превращение полученного на основе составленной спецификации нерационального графика в оптимальный. Показатель суточного потребления снижен с 18 до 12 кВт/ч, среднесуточная почасовая нагрузка с 750 до 500 Вт.
Такой же принцип оптимальности пригодится при использовании варианта питания от солнца в качестве резервного. Излишне тратиться на увеличение мощности солнечных модулей и аккумуляторных батарей ради некоторого временного неудобства, возможно не стоит.
Подбор узлов гелиоэлектростанции
Для упрощения расчетов будет рассматриваться версия применения солнечной батареи как основного для дачи источника электрической энергии. Потребителем выступит условный дачный домик в Рязанской области, где постоянно проживают с марта по сентябрь.
Наглядности рассуждениям придадут практические вычисления, основывающиеся на данных опубликованного выше рационального графика почасового энергопотребления:
- Общее среднесуточное энергопотребление = 12 000 ватт/час.
- Средняя нагрузка потребления = 500 ватт.
- Максимальная нагрузка 1200 ватт.
- Пиковая нагрузка 1200 х 1,25 = 1500 ватт (+25%).
Значения потребуются в расчетах суммарной емкости солнечных приборов и прочих рабочих параметров.
Галерея изображений
Фото из
Шаг 1: Подготовка к сооружению мини электростанции
Шаг 2: Стандартная комплектация солнечной батареи
Шаг 3: Транспортировка элементов гелиосистемы
Шаг 4: Сборка батарей согласно инструкции производителя
Шаг 5: Угол наклона элемента солнечной электростанции
Шаг 6: Специфика расположения солнечной панели
Шаг 7: Установка аппаратуры для управления гелиосистемой
Шаг 8: Сборка масштабной солнечной электростанции
Определение рабочего напряжения гелиосистемы
Внутреннее рабочее напряжения всякой гелиосистемы основывается на кратности 12 вольтам, как самого распространенного номинала аккумуляторных батарей. Наиболее широко узлы гелиостанций: солнечные модули, контроллеры, инверторы – выпускаются под популярные напряжения 12, 24, 48 вольт.
Более высокое напряжение позволяет использовать питающие провода меньшего сечения – а это повышенная надежность контактов. С другой стороны, вышедшие из строя аккумуляторы сети 12В, можно будет заменять по одному.
В 24-вольтовой сети, рассматривая специфику эксплуатации аккумуляторных батарей, придется производить замену только парами. Сеть 48V потребует смены всех четырех батарей одной ветки. К тому же, при 48 вольтах уже существует опасность поражения электрическим током.
При одинаковой емкости и примерно равной цене следует приобретать аккумуляторы с наибольшей допустимой глубиной разряда и более максимальным током
Главный выбор номинала внутренней разности потенциалов системы связан с мощностными характеристиками выпускаемых современной промышленностью инверторов и должен учитывать величину пиковой нагрузки:
- от 3 до 6 кВт – 48 вольт,
- от 1,5 до 3 кВт – равен 24 или 48V,
- до 1,5 кВт – 12, 24, 48В.
Выбирая между надежностью проводки и неудобством замены аккумуляторов, для нашего примера остановимся на надежности. В последующем будем отталкиваться от рабочего напряжения рассчитываемой системы 24 вольта.
Комплектование батареи солнечными модулями
Формула расчета требуемой от солнечной батареи мощности выглядит так:
Рсм = ( 1000 * Есут ) / ( к * Син )
Где:
- Рсм = мощность солнечной батареи = суммарная мощность солнечных модулей (панелей, Вт),
- 1000 = принятая светочувствительность фотоэлектрических преобразователей (кВт/м²)
- Есут = потребность в суточном энергопотреблении (кВт*ч, в нашем примере = 18),
- к = сезонный коэффициент, учитывающий все потери (лето = 0,7; зима = 0,5),
- Син = табличное значение инсоляции (потока солнечной радиации) при оптимальном наклоне панелей (кВт*ч/м²).
Узнать значение инсоляции можно у региональной метеорологической службы. Оптимальный угол наклона солнечных панелей равен значению широты местности:
- весной и осенью,
- плюс 15 градусов – зимой,
- минус 15 градусов – летом.
Рассматриваемая в нашем примере Рязанская область находится на 55-й широте.
Наибольшая мощность солнечных батарей достигается использованием систем слежения, сезонным изменением угла наклона панелей, применением смешанного дифферента модулей
Для взятого времени с марта по сентябрь лучший нерегулируемый наклон солнечной батареи равен летнему углу 40⁰ к поверхности земли. При такой установке модулей усредненная суточная инсоляция Рязани в этот период 4,73. Все цифры есть, выполним расчет:
- Рсм = 1000 * 12 / ( 0,7 * 4,73 ) ≈ 3 600 ватт.
Если брать за основу солнечной батареи 100-ваттные модули, то потребуется их 36 штук. Будут весить они килограмм 300 и займут площадь размером где-то 5 х 5 м.
Обустройство аккумуляторного энергоблока
Подбирая аккумуляторные батареи нужно руководствоваться постулатами:
- НЕ подходят для этой цели обычные автомобильные аккумуляторы. Батареи солнечных электростанций маркируются надписью «SOLAR».
- Приобретать аккумуляторы следует только одинаковые по всем параметрам, желательно, из одной заводской партии.
- Помещение, где размещается аккумуляторный блок, должно быть теплым. Оптимальная температура, когда батареи выдают полную мощность = 25⁰C. При ее снижении до -5⁰C емкость аккумуляторов уменьшается на 50%.
Если взять для расчета показательный аккумулятор напряжением 12 вольт емкостью 100 ампер/час, несложно подсчитать, целый час он сможет обеспечить энергией потребителей суммарной мощностью 1200 ватт. Но это при полной разрядке, что крайне нежелательно.
Для длительной работы аккумуляторных батарей НЕ рекомендуется снижать их заряд ниже 70%. Предельная цифра = 50%. Принимая за «золотую середину» число 60%, кладем в основу последующих вычислений энергозапас 720 Вт/ч на каждые 100 А*ч емкостной составляющей аккумулятора (1200 Вт/ч х 60%).
Возможно, покупка одного аккумулятора емкостью 200 А*ч обойдется дешевле приобретения двух по 100, да и количество контактных соединений батарей уменьшится
Первоначально устанавливать аккумуляторы необходимо 100% заряженными от стационарного источника тока. Аккумуляторные батареи должны полностью перекрывать нагрузки темного времени суток. Если не повезет с погодой, поддерживать необходимые параметры системы и днем.
Важно учесть, что переизбыток аккумуляторов приведет к их постоянному недозаряду. Это значительно уменьшит срок службы. Наиболее рациональным решением видится укомплектование блока батареями с энергозапасом, достаточным для покрытия одного суточного энергопотребления.
Чтобы узнать требующуюся суммарную емкость батарей, разделим общее суточное энергопотребление 12000 Вт/ч на 720 Вт/ч и умножим на 100 А*ч:
- 12 000 / 720 * 100 = 2500 А*ч ≈ 1600 А*ч
Итого для нашего примера потребуется 16 аккумуляторов емкостью 100 или 8 по 200 А*ч, подключенных последовательно-параллельно.
Выбор хорошего контроллера
Грамотный подбор контроллера заряда аккумуляторных батарей (АКБ) – задача весьма специфичная. Его входные параметры должны соответствовать выбранным солнечным модулям, а выходное напряжение – внутренней разности потенциалов гелиосистемы (в нашем примере – 24 вольта). Хорошему контроллеру обязательно надлежит обеспечивать:
- !!!Многоступенчатый заряд АКБ, кратно расширяющий их срок эффективной службы!!!
- Автоматическое взаимное, АКБ и солнечной батареи, подключение-отключение в корреляции с зарядом-разрядом.
- Переподключение нагрузки с АКБ на солнечную батарею и наоборот.
Этот небольшой по размерам узел – очень важный компонент.
Если часть потребителей (например, освещение) перевести на прямое питание 12 вольт от контроллера, инвертор понадобится менее мощный, значит более дешевый
От правильного выбора контроллера зависит безаварийная работа дорогостоящего аккумуляторного блока и сбалансированность всей системы.
Подбор инвертора лучшего исполнения
Инвертор выбирается такой мощности, чтобы смог обеспечивать долговременную пиковую нагрузку. Его входное напряжение обязано соответствовать внутренней разности потенциалов гелиосистемы.
Для лучшего варианта подбора рекомендуется внимание обращать на параметры:
- Форма и частота выдаваемого переменного тока. Чем больше близки к синусоиде в 50 герц – тем лучше.
- КПД устройства. Чем выше 90% — тем замечательней.
- Собственное потребление прибора. Должно соизмеряться с общим энергопотреблением системы. Идеально – до 1%.
- Способность узла выдерживать кратковременные двухкратные перегрузки.
Наиотличнейшее исполнение – инвертор со встроенной функцией контроллера.
Полезное видео по теме
Видеофильмы наглядно раскроют тему статьи.
Показ установки солнечных батарей на крышу дома своими руками:
Выбор аккумуляторных батарей для гелиосистемы, виды, отличия:
Дачная солнечная электростанция для тех, кто все делает сам:
Рассмотренные пошаговые практические приемы расчетов, основной принцип эффективной работы современной солнечной панельной батареи в составе домашней автономной гелиоэлектростанции помогут хозяевам и большого дома густонаселенного района, и дачного домика в глуши обрести энергетическую суверенность.
sovet-ingenera.com
Конструкция солнечной батареи: из чего она состоит
Сегодня солнечная энергия используется практически во всех сферах жизни, от зарядки телефонов и питания детских игрушек до энергообеспечения частных (и даже многоквартирных!) домов. Преимущества гелиопанелей уже общеизвестны, а вот конструкция солнечной батареи и многие ее рабочие особенности по-прежнему малознакомы большинству людей. А между тем, в строении и особенностях работы таких устройств нет ничего непостижимого.
Как правило, подобные батареи нередко путают с гелиоколлекторами. Это достаточно распространенная ошибка, притом что эти устройства очень непохожи. Общее у них только одно – использование энергии солнца. Но если батареи преобразовывают эту энергию в электричество за счет явления фотоэффекта, то в коллекторах лучи нагревают внутренний жидкий теплоноситель и вырабатывают тепловую энергию. Отсюда и различие в сферах применения: коллекторы устанавливают для подогрева воды (реже – для отопления небольших домов), а батареи – для энергообеспечения домов и подзарядки техники.
Что такое «солнечная батарея»
Каждая серийная солнечная батарея – это набор соединенных определенным образом кремниевых фотоячеек, помещенных в защитный корпус с прозрачной лицевой частью. Фотоячейки отвечают за преобразование энергии солнца в электричество (иными словами – за выработку фототока), а корпус защищает их от внешних воздействий.
Кроме того, он обязательно снабжается специальными клеммами, через которые солнечные батареи соединяются между собой в гелиополя и подключаются к другому оборудованию (инверторам, аккумуляторам и т.д.). Подобное устройство позволяет и эффективно преобразовывать энергию солнца (с минимально возможными для серийных панелей потерями), и избегать порчи хрупких фотоячеек.
Фотоячейки
Фотоячейки в серийных солнечных батареях используются кремниевые, причем они бывают трех типов: из поликристаллов, из монокристаллов и из напыленного кремния. Первые два вида представляют собой кристаллические ячейки, они образуются либо при поли-, либо при монокристаллизации кремния. Третий же тип – это тонкопленочная ячейка, которая состоит из напыленного на гибкую тонкую подложку кремниевого слоя.
Каждый из этих видов имеет свои особенности и преимущества. Так, у моноячеек самый высокий КПД, гибкие ячейки можно устанавливать на криволинейных поверхностях, а поличейки отличаются более низкой стоимостью при достаточно высокой производительности (хоть и меньшей, чем у монокристаллов).
Корпус
Конструкция корпуса солнечной батареи включает в себя, помимо самих фотоячеек, несколько элементов:
- Защитную алюминиевую рамку. Она придает корпусу жесткость и предохраняет торцы от проникновения влаги;
- Стекло. Стекло используется закаленное, антибликовое, оно обеспечивает более эффективное поглощение солнечного спектра и защищает фотоячейки;
- Ламинирующие слои. Они располагаются сверху и снизу фотоячеек и обеспечивают герметизацию конструкции в сочетании с удалением зазоров между стеклом и фотоячейками;
- Заднюю стенку. Обычно ее изготавливают из легкого, но прочного материала, вплоть до толстой PET-пленки;
- Клеммную коробку. Коробка включает в себя соединительные клеммы для интеграции солнечной батареи в общую структуру.
Причем качество этих составных элементов у разных производителей (особенно – малоизвестных) может сильно отличаться, и зачастую не в лучшую сторону. Поэтому при выборе солнечной батареи репутации производителя нужно уделить особое внимание. Дело в том, что некачественные корпуса очень быстро выходят из строя, в результате чего гелиопанель не сможет выполнять свои функции.
Как работают гелиобатареи
Работают все солнечные батареи по одному принципу – фотоэффекту, иными словами, образованию тока под действием солнечных лучей в определенных материалах (полупроводниках с разными примесями). Лучи солнца, попадая на поверхность двухслойной полупроводниковой пластины, передают электронам верхнего слоя дополнительную энергию. В результате этого электроны начинают движение и переходят в нижний, второй слой. Таким образом, слои полупроводников играют роль своеобразных электродов, между которыми возникает ток.
Но подобная конструкция солнечных батарей подразумевает и несколько нюансов. Например, полупроводники должны быть разного типа проводимости (один – так называемого «дырочного», с избытком положительных зарядов, второй – «электронного», с избытком отрицательного заряда). Кроме того, ширина зоны перехода электронов должна быть не больше определенной величины, чтобы электроны могли ее преодолеть. Именно поэтому принцип действия одинаков для всех солнечных ячеек.
Подключение и установка фотобатарей
Подключение солнечных панелей выполняется по нескольким схемам и зависит от определенных факторов.
Соединение отдельных батарей
Отдельные батареи соединяются между собой последовательно, параллельно или же последовательно-параллельно. Это позволяет получить гелиополе с нужными параметрами выходных тока и напряжения. Так, при последовательной коммутации увеличивается общее напряжение, при параллельной – сила тока. Смешанное же соединение позволяет гибко подбирать оба этих параметра.
Подключение к энергосистеме дома
Состав домашней энергосистемы и методика подключения солнечных батарей определяются нуждами потребителей и типом нагрузки. Так, если от гелиопанелей запитывается энергосберегающая нагрузка (12-вольтная), то использовать инвертор не нужно. Дело в том, что солнечные батареи генерируют постоянный ток, который и использует энергосберегающая нагрузка. Обычная же техника потребляет переменный ток, для получения которого понадобится инвертор. Также состав схемы должен включать в себя аккумулятор (если подразумевается потребление солнечной энергии в пасмурные дни или ночью) и контроллер заряда для регулировки этих процессов.
Нюансы установки
Монтируют солнечные батареи главным образом на крышах, хотя возможна и установка на стене здания или отдельно стоящих опорах. Также нужно иметь в виду, что верхние ряды не должны затенять нижние, для чего между ними необходимо выдерживать определенные интервалы. Ориентируют панели преимущественно на юг, а угол их наклона в идеале должен совпадать с географической широтой местности.
solarb.ru
Устройство солнечной батареи и солнечной панели
Фотогальванический эффект впервые наблюдал в 1939 году Антуан Анри Беккерель, французский физик, но первый прототип солнечной батареи был сделан Чарльзом Фриттсом, американским изобретателем в 1883 году. Устройство этой солнечной батареи представляло собой полупроводник, который был покрыт тончайшим слоем золота. Такая батарея имела эффективность около 1%.
Александр Столетов в 1888 году изобрел первый во всем мире фотоэлектрический элемент. Альберт Эйнштейн в 1905 году объяснил в своей работе явление фотоэлектрического эффекта, за что в 1921 году был удостоен Нобелевской премии по физике. Солнечная батарея, имеющая современный вид, была запатентована Расселом Олом в 1946 году.
Современные солнечные батареи на основе кристаллического кремния были разработаны в Лабораториях Белла инженерами Кельвином Соулзером Фуллером, Дэрил Чапин и Геральдом Пирсоном в 1954 году.
Сегодня солнечные батареи выполняются в основном на основе кремния. Есть две технологии изготовления – поликристаллическая и монокристаллическая. Первая технология более современна и применяется для получения солнечных батарей, стоимость которых дешевле.
Есть также солнечные батареи на основе теллурия, селенидов меди, кадмия, галлия и индия, аморфного кремния.
Солнечная батарея (ее называют также фотоэлектрические элементы) – это электрические твердотелые устройства, предназначенные для преобразования энергии солнца в электроэнергию посредством фотоэлектрического эффекта. Каждая солнечная батарея в своем устройстве содержит солнечные ячейки.
Солнечные ячейки объединяют для создания модулей, вырабатывающих электричество из энергии солнца. Эти сборки монтируются вместе, чтобы получалась группа из солнечных модулей. Они устанавливаются на специальные стеллажи и поворотные устройства, которые направляют группу солнечных модулей, которая включает в себя электронный обвес, на солнце. Такие сборки имеют название солнечных панелей.
В русском языке солнечными батареями называются и все детали сборки вместе, и по отдельности. Это неверно, так как слово «батарея» подразумевает аккумулирование или/и выделение энергии. С другой стороны, в солнечной панели иногда тоже есть батареи – это могут быть аккумуляторы, накапливающие заряд, который поступает от солнечных сборок. Но солнечная панель и её сборка – это уже больше генератор.
В английском языке упоминается и солнечный модуль, и солнечная панель, и фотоэлектрическая панель. Отличие заключается в том, что солнечный модуль представляет собой спаянное, самостоятельное гидроизолированное устройство, он не разбирается на солнечные ячейки. Солнечную панель можно разделить на солнечные модули.
Мы будем использовать словосочетание – солнечная батарея, которое будет означать именно неразборный солнечный модуль, скомпонованный из солнечных ячеек в солнечную панель.
Существует много видов фотогальванических ячеек. Они не обязательно используются для обустройства солнечных батарей. Они служат также для обнаружения света в других системах, например, обнаруживая инфракрасное излучение. Также они применяются для измерения интенсивности светового потока.
Существуют различные обозначения фотоэффекта. Фотовольтаический эффект – это появление электродвижущей силы под действием сил электромагнитного поля. Фотогальванический эффект – образование электрического тока в процессе освещения диэлектрика или полупроводника или образование электродвижущей силы на освещаемом образце при разомкнутой цепи.
Одновременно с этим, фотоэффект – это испускание электронов или другого электромагнитного излучения в жидких или твердых веществах.
Мы будем использовать термин фотогальванические элементы.
Устройство солнечных батарей
Как правило, устройство солнечной батареи таково, что фотогальванические модули заключены в корпус. Сверху они покрыты стеклом, позволяющим проникать солнечному свету до самих ячеек, одновременно защищая их от вредных химических и механических воздействий. Сзади модули защищает крышка из пластика с креплениями. Солнечные ячейки соединены в модулях в серии для создания необходимого напряжения, они соединяются в этом случае последовательно. В случае параллельного соединения будет выдаваться большой ток, но из-за электрических эффектов, происходящих в панелях, и условий внешней среды оно проблематично. Например, если отдельные строки из ячеек (а солнечному модулю свойственна строчная структура) будут затенены, то это может привести к обратным токам через затененные ячейки от ячеек, которые освещены. Это приведет к резкому снижению результативности и даже выходу из строя ячеек в устройстве солнечной батареи.
Нужно, чтобы строки из ячеек были самостоятельными элементами, четыре строки по 10 вольт, например. Чтобы предотвратить теневые эффекты применяются специальные схемы защиты и распараллеливания строк.
Для достижения нужного соотношения силы тока и напряжения солнечные модули соединяются в панели параллельно или последовательно. Но специалисты рекомендуют применять специальные независимые системы способствующие распределению нагрузки – maximum power point trackers (MPPT).
Данные системы помогают избежать фиксированной цепи в процессе переключения модулей в последовательный или параллельный режимы для компенсации затененных участков в устройстве солнечной батареи или панели.
Энергия, собранная с солнечной панели идет к потребителям через инвенторы напряжения. Энергия в автономных системах запасается в батареях и применяется по мере необходимости.
Принцип работы солнечных батарей
1. Фотоны попадают на поверхность солнечной батареи, ударяются о ее поверхность, а затем поглощаются ее рабочим материалом, кремнием, например.
2. Фотоны, встречаясь с атомами вещества, начинают выбивать из него его собственные электроны. В итоге возникает разность потенциалов. Электроны, которые свободны, начинают двигаться внутри вещества для погашения разности потенциалов. Образуется электрический ток. Так как солнечная батарея по своему устройству является полупроводником, то электроны могут двигаться в одном направлении.
3. Полученный ток солнечная батарея преобразует в постоянный ток и направляет его аккумулятору или потребителю.
Стоимость солнечных панелей (батарей) ежегодно неуклонно снижается. Происходит это благодаря созданию новых методов изготовления ячеек, изучения и обработки материалов.
Начиная с середины 2010 года стоимость ватта электроэнергии, производимой солнечной батареей, снизилась до 1,2-1,5 долларов для кристаллических модулей.
Технологии и материалы
Солнечные батареи создаются из кристаллического кремния. Сегодня это самое распространенное вещество для обустройства ячеек в солнечных батареях. Его еще называют «кремний солнечного качества». Данный вид кремния разделяется на виды, которые определяются размером кристаллов и методиками изготовления.
Монокристаллический кремний. Изготовляется в основном тигельным методом или методом Чохральского. Он не отличается принципиально от методов выращивания медного купороса или кристаллов соли.
Кремний расплавляется в большом тигле. Затем в него добавляется затравка, являющаяся кремниевым стержнем, вокруг которой начинается процесс нарастания нового кристалла. Затравка и тигель вращаются в разные стороны. В итоге образуется огромный круглый кристалл кремния, его нарезают на пластинки, из которых выполняются ячейки солнечной батареи. Основным недостатком метода является множество обрезков и специфическая форма солнечных монокристаллических ячеек – квадрат, у которого обрезаны углы.
Поликристаллический кремний. Этот материал является более простым и дешевым в изготовлении. В отличие от монокристаллического кремния, являющегося единым кристаллом с регулярной решеткой, поликристаллический кремний представляет собой совокупность из множества разных кристаллов, которые образуют единый кусок. Отсюда и специфический блик на поверхности солнечных батарей, в устройстве которых он содержится, напоминающий металлические хлопья.
Ленточный кремний. Это вид поли-кремния. Он создается путем наплавления тонких кремниевых слоев друг на друга. Образуется поликристаллическая решетка. Последующая распиловка не требуется, поэтому его производство еще дешевле. Но он мене эффективен.
zeleneet.com