Домой Оборудование Принцип работы и строение солнечных батарей

Принцип работы и строение солнечных батарей

8
0

Технические характеристики на что обратить внимание

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

Кроме самих батарей, важно подобрать контроллер зарядки аккумуляторов и инвертор, преобразующий заряд аккумуляторных батарей в напряжение сети, а также сами панели. . В аккумуляторных батареях есть допустимый ток зарядки, который нельзя превышать, иначе система выйдет из строя

Зная напряжение аккумуляторов, легко определить мощность, необходимую для зарядки. Она должна быть больше мощности солнечной электростанции, иначе в солнечный день часть энергии окажется неиспользованной.

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

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

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

Кроме мощности и напряжения, важно выбрать фирму-производителя. Такое оборудование приобретается на срок несколько десятков лет, поэтому экономить на качестве нельзя. Производители, давно работающие на рынке, это понимают и дорожат своей репутацией. Можно почитать отзывы о них в интернете и выбрать с самыми положительными.

Виды батарей

Существует несколько разновидностей панелей, работающих от солнца:

  • Батареи на основе кремния. Они изготавливаются методом выращивания монокристаллов из чистых кремниевых частиц, в процессе которого расплав затвердевает, контактируя с кристаллической затравкой. Кремний, охлаждаясь, застывает в специальной форме диаметром от 12 до 20 сантиметров. Слиток, полученный таким способом, нарезается на пластины толщиной до 300 микрон. Эти элементы показывают высокий КПД – до 19 процентов, что достигается особой ориентацией частиц монокристалла, способствующей увеличению активности электронов. Внутри батареи пластины кремния пронизаны металлическими электродами, по которым движется ток.
  • Тонкопленочные панели. Технологии производства тонкопленочных элементов позволяют получить панели, чья стоимость дешевле, по сравнению с приборами из кремния. Поэтому пленочные модули используются для сборки крупных солнечных электростанций, когда владелец оборудования имеет ограничения, связанные не только с площадью земли, но и с ценой установки. Такие батареи устанавливаются не только на крышу, но и на стены зданий.
  • Панели на основе аморфного кремния – эти модули показывают низкий КПД, не превышающий 8%. Однако они позволяют получать самую доступную по стоимости электроэнергию, по сравнению с другими кремниевыми преобразователями.
  • Панели из теллуида кадмия изготавливаются посредством пленочных методов. Слой полупроводника составляет 2–3 сотни микрон. Производительность кадмиевых батарей составляет 11%. Зато эти модули обеспечивают дом энергией по более низкой цене, в отличие от кремниевых устройств.
  • Панели, созданные из многокомпонентных полупроводников CIGS. Эти элементы состоят из индия, галлия, меди, силена. Данная разновидность батарей также производится пленочным способом, но по сравнению с кадмиевыми панелями, в процессе использования показывает более высокую производительность – КПД достигает 15%.

b72fee1c37833db81cc1049265e4f228.pngВнешний вид разных панелей солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи

В результате перетечки зарядов на границе p- и n- слоев, в n-слое образуется зона нескомпенсированного положительного заряда, а в p-слое – отрицательного заряда, т.е. известный всем из школьного курса физики p-n-переход. Разность потенциалов, возникающая на переходе контактная разность потенциалов (потенциальный барьер) препятствует прохождению электронов с p-слоя, но беспрепятственно пропускает неосновные носители в направлении противоположном, что позволяет получить фото-ЭДС при попадании на ФЭП солнечного света.  

При облучении солнечным светом, поглощенные фотоны начинают генерировать неравновесные электронно-дырочные пары. Генерируемые же вблизи перехода электроны, из p-слоя переходят в n-область.

aa1e9e559cfd63fe11150f978d34dce6.jpg

Аналогичным образом попадают в p-слой избыточные дырки и слоя n (рисунок а). Получается, что в p-слое накапливается  положительный заряд,  а в n- слое – отрицательный, вызывая напряжение во внешней цепи (рисунок б). У источника тока есть два полюса: положительный — p-слой и отрицательный — n-слой.

Это основной принцип работы солнечный элементов. Электроны, таким образом, будто бегают по кругу, т.е. выходят из p-слоя и возвращаются в n-слой, проходя нагрузку (аккумулятор).

298e1a9f1484a8bbc6550a9316638604.jpg

Фотоэлектрический отток в однопереходном элементе обеспечивают лишь те электроны, которые обладают энергией выше, чем ширина некой запрещенной зоны. Те же, которые обладают меньшей энергией, в этом процессе не участвуют. Это ограничение снять позволяют структуры многослойные, состоящие из более чем один СЭ, у которых ширина запрещенной зоны различная. Их называют каскадными, многопереходными или тандемными. Фотоэлектрическое преобразование у них выше за счет того, что работают такие СЭ с более широким солнечным спектром. В них фотоэлементы располагаются по мере уменьшения ширины запрещенной зоны. Солнечные лучи вначале попадают на фотоэлемент с самой широкой зоной, при этом происходит поглощение фотонов с наибольшей энергией.

d9ab99c36c8038d24b6d79f368882acf.png

Затем, фотоны, пропущенные верхним слоем, попадают на следующий элемент и т.д. В области каскадных элементов основным направлением исследования является использование в качестве одного компонента или нескольких арсенида галлия. У таких элементов  эффективность преобразования составляет 35%. Элементы соединяют в батарею, поскольку  изготовить отдельный элемент большого размера (следовательно, и мощности) не позволяют технические возможности.

f9554e121bfebc84c3c7ea78c8af352d.jpg

Солнечные элементы способны работать длительное время. Они себя зарекомендовали как стабильный и надежный источник энергии, пройдя испытания в космосе, где главной опасностью для них является метеорная пыль и радиация, которые приводят к эрозии кремниевых элементов. Но, поскольку, на Земле эти факторы не оказывают на них столь негативного действия, можно предположить, что срок службы элементов будет еще более продолжительным.

Солнечные батареи уже находятся на службе человека, являясь источником питания для  различных устройств, начиная от мобильных телефонов и заканчивая электромобилями.

И это уже вторая попытка человека обуздать безграничную солнечную энергию, заставив работать ее себе во благо. Первой попыткой было создание солнечных коллекторов, электричество в которых вырабатывалось за счет нагрева сконцентрированными лучами солнца воды до температуры кипения.

b811d1f5be8a3e39d4737bb56369823b.jpg

Термальная солнечная электростанция в Испании (город Севилья)

Преимущество солнечных батарей в  том, что они непосредственно производят электричество, теряя энергии намного меньше, чем солнечные многоступенчатые коллекторы, в которых процесс ее получения связан с концентраций лучей Солнца, нагревом воды, выделением пара, вращающего паровую турбину и только после этого выработке генератором электричества. Основные параметры солнечных батарей – в первую очередь, мощность

Затем важно, каким запасом энергии они обладают.

68e9eecbefdf0d86dd7f805b0422dec7.jpg

Зависит этот параметр от емкости аккумуляторов и их числа. Третьим параметром является пиковая мощность потребления, означающая количество одновременно возможных подключений приборов. Еще одним важным параметров является номинальное напряжение, от которого зависит выбор дополнительного оборудования: инвертора, солнечной панели, контроллера, аккумулятора.

Где используются солнечные батареи

Наверное, многие впервые встретились с солнечными батареями около 20 лет назад, когда повсюду стали появляться калькуляторы с

фотоэлементами, что позволяло не менять батарейки в них годами. С тех пор солнечные батареи можно встретить где угодно. Ими оснащают дома в солнечных странах, их устанавливают на машины, их встраивают в мобильные телефоны, существует даже беспилотный самолет, который работает за счет одних только солнечных батарей. Существуют так же и солнечные электростанции, которые вырабатывают электричество для целых городов.

В Пекине в честь летней олимпиады был построен стадион, который аккумулирует солнечную энергию в течении дня, а потом тратит ее же на освещение стадиона, поливку газонов, работу телекоммуникационного оборудования.

В настоящее время в данной отрасли ведутся активные исследования. В начале 2013 года компания Sharp разработала солнечную батарею с КПД 44%.

Как это работает

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

00487c4b24ae359c53b46f42cfb49fb8.jpgПроцесс преобразования солнечного света

Сердцем фотоэлемента является кремниевый кристалл. С кремнием (точнее его оксидами) мы встречаемся каждый день – это знакомый нам песок. Таким образом, можно сказать, что кремниевый кристалл – это выращенная в лаборатории гигантская песчинка. Кристаллам придают форму куба и режут на платины толщиной в двести микрон (примерно три-четыре толщины человеческого волоса).

На кремниевую пластинку с одной стороны наносят тончайший слой фосфора, с другой стороны – тончайший слой бора. Там, где кремний контактирует с бором, возникает избыток свободных электронов, а там, где кремний контактирует с фосфором, наоборот электроны в недостатке, возникают так называемые «дырки». Стык сред, обладающих избытком и недостатком электронов, называется в физике p-n переход. Фотоны света бомбардируют поверхность пластины и вышибают избыточные электроны фосфора к недостающим электронам бора. Упорядоченное движение электронов – это и есть электрический ток. Осталось только «собрать» его, проведя через пластину металлические дорожки. Так в принципе устроен кремниевый фотоэлемент.

Мощность одной пластинки-фотоэлемента довольно скромная, ее хватит разве что для работы лампочки карманного фонарика. Поэтому отдельные элементы собирают в системы-батареи. Теоретически можно собрать из элементов батарею любой мощности. Батарею укладывают на металлическую подложку, армируют для повышения прочности и накрывают стеклом

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

Важным преимуществом солнечной батареи является то, что она использует свет, а не тепло, поэтому, в отличие от коллектора, солнечная батарея может работать и зимой, лишь бы облачность не закрывала солнечный свет. Существуют проекты строительства огромных полей солнечных батарей в Арктике и Антарктике, которые будут накапливать энергию во время полугодового полярного дня, который на севере наступает летом, а на юге – зимой, то есть две гигантских солнечных электростанции никогда не будут бездействовать одновременно.

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

Почему человек не перешел на солнечную энергию полностью



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

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

Видео о том, как производят солнечные батареи.

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

Виды солнечных батарей

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

bb3a5b82ccb4b8fce621522b736c6294.jpgВнешний вид моно- и поликристаллических панелей

Элементы из монокристаллического кремния

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

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

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

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

Фотоэлементы из мульти-поликристаллического кремния

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

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

Фотоэлементы из аморфного кремния

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

69755b088086db3e2460f95653f0caf5.jpgСолнечные батареи из аморфного кремния

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

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

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

Как устроена солнечная батарея

Конструктивное исполнение разных моделей устройств для преобразования энергии солнца в электричество имеет одинаковые элементы. Большая часть батарей состоит из следующих составляющих:

  • устройство, генерирующее, постоянный ток;
  • блок аккумуляторных батарей;
  • преобразователь постоянной величины тока в переменную.

В свою очередь, конструкция солнечной батареи состоит из фотоэлектрического преобразователя. При этом в изготовлении таких преобразующих компонентов используют кремний – достаточно дорогой природный материал. На сегодняшний день рассматривают два основных типа фотоэлектрических преобразователей:

  • преобразователи в изготовлении которых используется монокристаллический кремний;
  • приборы из поликристаллического материала.

К важнейшим техническим параметрам всех солнечных батарей можно отнести их коэффициент полезной мощности. Благодаря этому критерию определяется экономичность и качество преобразующего устройства. Полезная мощность определяется на основании показателей тока и напряжения, которые будут зависеть от степени интенсивности солнечных световых потоков, попадающих на фотоэлементы.

Хочется отметить, что величина тока на выходе солнечной батареи зависит не только от интенсивности солнца, но и от габаритов принимающих элементов. Во время дождя или зимой, когда постоянно пасмурно показатели мощности и напряжения в значительной мере снижаются, что обусловлено уменьшением выходного тока.

Если батарею замкнуть на любой нагрузке с сопротивлением, то по такой цепи начинает протекать ток, величина которого будет зависеть от качества преобразующих элементов и интенсивности потока солнечных лучей. При этом мощностные показатели, выделяемые при нагрузке, будут равны величине тока и напряжения перемноженных между собой.

Максимальных мощностных показателей, потребляемых электрическими приборами можно достичь только при оптимальном сопротивлении, которое должно соответствовать пиковому значению КПД солнечной батареи. При этом каждое преобразующее устройство обладает своим оптимальным размером сопротивления, значение которого будет зависеть от параметров фотоэлектрических преобразователей.

В конструкцию солнечной батареи входят отдельные элементы, соединённые по последовательной или параллельной схеме благодаря чему, улучшаются параметры на выходе. При увеличивается величина напряжения, а при параллельном — ток. Обычно на практике используют комбинацию методов соединения что позволяет увеличить общие выходные параметры прибора.

Преимуществом комбинированного варианта соединения фотоэлементов является и то что в значительной мере увеличивается надёжность солнечной батареи. В первую очередь — это обусловлено тем, что при выходе из строя отдельно взятого элемента это практически не повлияет на качество работы устройства в целом.

Для увеличения надёжности солнечных батарей их элементы шунтируются с помощью диодов. При этом для каждого фотоэлектрического элемента используется по 4 диода. Благодаря этому отдельные элементы, на которые не попадает свет не выходят из строя. В такой ситуации приблизительно на четверть уменьшается генерируемая выходная мощность.

Если пренебречь установкой диодов, то из-за перегрева элементы принимающие солнечные лучи будут ломаться, так как при отсутствии света они начинают потреблять ток, а благодаря использованию диодов ток не будет проходить через них.

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.

7ebeb042e826d4002339003ea1cf0692.jpgАккумуляторные 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.

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.

d76a5850253357ade0bd9b5772ee7085.jpg

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.

b4544518b00769289bc58daae2f53e71.jpg

Виды аккумуляторов, используемых в батареях

e4b0dc548438b3f8e0d9886bd4ea483e.jpgРазличные виды аккумуляторов, которые можно использовать для солнечной батареи

Аккумуляторы – важный элемент системы круглосуточного электроснабжения дома солнечной энергией.

В таких устройствах используются следующие виды аккумуляторов:

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

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

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

Стартерные аккумуляторы

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

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

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

Гелевые аккумуляторы

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

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

Недостаток таких приборов в высокой цене и небольшом сроке службы.

AGM батареи

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

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

5af08d54656904386bd1b7612d831dfa.jpgAGM батарея изнутри

Заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы

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

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

Как устроена

8c1a15434f8989c6512022c4faa28d27.jpgСистема СБИтак, 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.

  2. Тончайший слой элемента, противостоящего переходу электронов (размещается между этими слоями).
  3. Источник электропитания (если его подключить к противостоящему слою, электроны смогут легко преодолевать эту запорную зону). Так возникнет упорядоченное движение зараженных частиц, именуемое электрическим током.
  4. Аккумулятор (накапливает и сохраняет энергию).
  5. Контроллер заряда.
  6. Инвертор-преобразователь (преобразование получаемого от солнечной батареи постоянного электрического тока в переменный ток).
  7. Стабилизатор напряжения (предназначен для создания напряжения нужного диапазона в системе солнечной батареи).

Схема работы солнечной панелиФотоны 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.

Виды солнечных панелей

Кроме мощности и других рабочих параметров, солнечные панели различаются по материалам, используемым в их конструкции.

Монокристаллический кремний

В наиболее качественных панелях применяется монокристаллический кремний. Данные элементы изготавливаются в форме квадрата с закругленными углами. Такая конфигурация обусловлена технологией изготовления, когда выращенные кристаллы изначально принимают цилиндрическую форму. Далее края цилиндров обрезаются и основание принимает нужную конфигурацию, из чего потом делаются заготовки.

Готовые ячейки устанавливаются на подложку и накрываются стеклом или ламинированным покрытием. Полученные таким способом батареи имеют максимально возможный КПД, отличаются высоким качеством и надежностью в работе.

7f2e925b7ce47b2f162a60ea1b577258.jpg

Поликристаллический кремний

Технология изготовления почти такая же за исключением формы кристалла, который в конце изготовления принимает не круглую, а квадратную форму. В его структуру входят мелкие кристаллы в большом количестве, поэтому конечный продукт и получается в квадратной конфигурации.

Сырьем служат отходы, полученные при изготовлении фотоэлементов и микросхем. В результате, готовые приборы обладают более низким КПД, однако конкретные параметры зависят от производителя, и нередко совпадают с монокристаллическими изделиями.

4e6da229c891d708b6d3895f253de3fe.jpg

Аморфный кремний

Используется в производстве гибких солнечных панелей. Вместо кристаллов здесь выполняется напыление тонкого слоя кремния со всеми добавками, после чего образуется покрытие нужной толщины. После разрезания листов и приклеивания на них токопроводящих полосок, конструкция покрывается ламинатом.

Такие батареи обладают самым низким КПД, однако они могут сгибаться во всех направлениях, а скатанные в рулон – транспортируются на любые расстояния. Данные изделия незаменимы в полевых условиях, в походах и путешествиях при отсутствии возможности нормальной зарядки.

b7c6cf5c79dcda72a166e731d996c7ab.jpg

Эффективность устройства

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

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

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

ec50ea3320ac88e242dd85b92a9321d5.jpg

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

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

Поверхности батарей необходимо регулярно мыть.

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

Определение и основы трансформации энергии

Устройство солнечной батареи состоит из пластины, оснащённой цепочкой соединённых полупроводников (фотоэлементов). Фотоэлементы выполняют функцию преобразования солнечного света в электрический ток. Поэтому для того, чтобы понять принцип действия данного приспособления, следует изучить его основы, а именно фотоэлементы.

9442fde655d3bb1f892cb2afe5c53ed2.jpgФотоэлементы – полупроводники, трансформирующие действие квантов электромагнитного излучения, способных двигаться лишь со скоростью света, в электрическую энергию. Процесс данной трансформации называется фотоэлектрическим эффектом, появляющимся под воздействием солнечного света на структуры фотоэлемента. Особенность структуры заключается в неоднородности, которую создают при помощи сплавов различных материалов и примесей для изменения её свойств с точки зрения физики и химии.

Эти самые примеси создают отрицательные и положительные переходы (р- n), которые являются основой работы двух полупроводников и проводимости между ними. Помимо этого метода, образующего неоднородность структуры фотоэлементов, применяются также такие:

  • объединение, различающихся по ширине запрещённой зоны, полупроводников;
  • изменение химического состава фотоэлемента с целью образования варизонной структуры;
  • комбинирование вышеперечисленных способов.

Трансформация энергии напрямую зависит от физических и электрических свойств структуры и электрической проводимости полупроводников (фотопроводимость).  Фотоэлемент состоит из разного типа электронов и слоёв их. В качестве электрода, на котором возникает заряд, выступает отрицательный тип, и соответственно, анодом (приёмником) этого заряда является положительный тип. Накопление солнечной энергии происходит таким образом: выходящие из отрицательного слоя под воздействием солнечных лучей, электроны принимают аноды. Выходя из слоя положительных электронов, они возвращаются в исходное место. Далее действия повторяются. Ввиду чего энергия Солнца остаётся внутри устройства.

Особенности установки

Есть ряд советов для владельцев частных домов, собирающихся использовать солнечные станции:

  • Батареи лучше установить на южной части крыши или фасада либо на участке, который ориентирован на юг.
  • Угол наклона выбирается в соответствии с широтой конкретного региона.
  • Избегайте близости объектов, которые создают тень для солнечных панелей.
  • Поверхность батарей нуждается в регулярной очистке от запыления и грязи.

Самые хорошие станции оснащаются системами отслеживания нахождения солнца. Очевидно, что солнечное излучение играет здесь главную роль, и не каждый регион имеет пригодные для этого условия

Важно учесть инсоляцию – сколько света доходит до земной поверхности на местности, где расположен «солнечный» дом.

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.

c43ab576e3f02e98655e67599a1622f7.jpgСолнечная батарея представляет собой комплекс последовательно соединенных полупроводниковых устройств — фотоэлементов, преобразующих солнечную энергию в электрическую

Как работает солнечная батарея

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

be7f77de5de85e29fa8685370383415c.jpg

Принцип работы фотоэлемента

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

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

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

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

5ac05b3ad2e1af3834cefda81b422d69.jpg

Гелиосистема: солнечные батареи и коллекторы

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

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

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

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

Разновидности солнечных панелей

В зависимости от уровня производительности такие устройства подразделяются не следующие виды:

  • Маломощные исполнения, как, например, солнечная батарея компактная переносная – используются для питания мелкой техники (телефоны, КПК и прочее);
  • Универсальные устройства – прекрасно подходят для эксплуатации в полевых условиях;
  • Солнечные элементы на подложке – наиболее распространенный вид, который может использоваться для питания довольно крупных объектов.

2521caed308c41aacc4d968c0e9bf7ad.jpgВиды солнечных батарей

Кроме того техника данного рода может функционировать на базе разных технологий: фотоэлектрические преобразователи, гелиоэлектростанции, . Различают такие аппараты и по роду материала: кремниевые и пленочные. Наивысшей производительностью обладают фотоэлектрические устройства на основе монокристаллического кремния. У таких приборов КПД выше, чем у аналогов – до 22%.

Степень эффективности

Перед тем, как решать, где купить солнечные тепловые батареи, следует определить уровень нагрузки на такие устройства. После чего необходимо соотнести его с имеющейся свободной площадью для установки солнечных панелей. Именно совокупность этих двух факторов позволит правильно подобрать вариант исполнения таких устройств, что позволит получить максимально эффективный источник питания.

Поэтому ответ на вопрос, действительно ли эффективны солнечные батареи, будет положительным. Да, их производительность позволяет питать энергией довольно крупные объекты. Но есть и одно «НО»: исполнения с высоким уровнем производительности требуют довольно больших площадей под установку, а в этом часто заключается основная проблема.

Солнечная панель своими руками

Эффективность самодельных устройств зависит от того, насколько точно соблюдены правила их установки

Например, при выборе монокристаллических фотоэлементов важно расположить их под нужным углом, чтобы обеспечить прямое попадание солнечных лучей на поверхность элементов. В этом плане проще выбрать поликристаллические батареи, так как она более стойко переносят изменение погодных условий

Но их производительность несколько ниже.

В покупных изделиях используется контроллер для солнечной батареи, в бытовых условиях можно применить шунтирующие диоды, в частности, диоды Шотке. Это позволит избежать разряжения батарей в пасмурную погоду или ночью. Для создания каркаса, удерживающего фотоэлементы, применяются материалы, которые не пропускают ИК-спектр сквозь поверхность. Такой нюанс позволит снизить интенсивность нагрева конструкции. Нередко для этой цели используется оргстекло. Для соединения всех элементов между собой применяется пайка. В конце полученное изделие герметизируется обычным силиконовым герметиком.

Смотрим видео, полный процесс изготовления своими руками:

Таким образом, главное, что следует знать при выборе солнечных панелей, каков уровень их производительности на конкретном участке и с определенной величиной нагрузки. В результате можно обеспечить питание электроприборов и техники на неограниченное время, так как солнечные батареи относятся к возобновляемым альтернативным источникам энергии. Учитывая довольно широкий выбор таких устройств, можно подобрать наиболее подходящее исполнение под определенные нужды.

Как это происходит принцип работы солнечной батареи

В основе всего – цепь физических процессов. Сначала солнечную энергию улавливают солнечные пластины, потом эти нагретые пластины освобождают электроны, они активизируются и двигаются по проводникам. Эти проводники, в свою очередь, направляют поток электронов в накопители энергии, почему и происходит подзарядка. Далее с помощью преобразователя постоянный ток меняется на переменный. Проводными подключениями происходят подача данных бытовой технике.

Солнечные батареи бывают разные. И выбирать их нужно с учетом климатических условий вашего региона. Плиты могут отличаться структурой поверхностного слоя, а также технологией изготовления.

c24645862534fa1e06c44d39404df62c.jpgСолнечные панели бывают нескольких видов

Виды солнечных батарей:

  • Покрытие – монокристаллический кремний, это самый дорогой фотоэлемент, потому как он позволяет накапливать солнечную энергию даже при сильной облачности;
  • Плиты из аморфного кремния пока не могут похвастаться выпуском в промышленных объемах;
  • Покрытие поликристаллическим и монокристаллическим кремнием – доступны по стоимости, так как используется упрощенная технология производства, но по электротехническим показателям это не лучший тип батареи.

Конечно, по двум пространным советам батарею не выберешь. Нужно учитывать многое, от местного климата до особенностей постройки. И, конечно, финансовые возможности тоже идут в учет.

Что предлагает рынок обзор производителей

На российском рынке в большом ассортименте представлены поли- и монокристаллические панели. Большая их часть произведена в Китае, что не удивительно, поскольку эта страна – лидер по производству и продаже различных систем генерации солнечной энергии. На рынке так же представлена немецкая продукция от компаний SCHOTT и Calixo, японская от фирмы SHARP и товары российских компаний. Последние чаще всего занимаются сборкой солнечных элементов из комплектующих китайского производства.

Тем не менее, в России есть предприятия, производящие фотопреобразователи. Завод «Хевел», расположенный в Новочебоксарске, выпускает тонкопленочные гибридные панели. Завод «Сатурн» в Краснодаре специализируется на солнечных батареях, работающих на арсениде галлия. Последние большей частью предназначены для космической промышленности. Бытовые модули производят два предприятия: «Завод металлокерамических приборов» в Рязани и   «Телеком-СТВ» в Зеленограде.

27350baa3953e9a316853b1ff8c3a7d4.jpg

Отечественные производители выпускают различные типы кремниевых солнечных батарей

Завод в Рязани производит два основных типа устройств:

  • RZMP-130-Т с диапазоном мощностей от 105 до 145 Вт.
  • RZMP-220-Т с диапазоном мощностей от 200 до 240 Вт.

Устройства состоят из нескольких последовательно соединенных элементов. Панель покрыта высокопрозрачным закаленным текстурированным стеклом и помещена в алюминиевый профиль. Такая конструкция придает батарее прочность и защищает от неблагоприятных атмосферных воздействий. Стоимость таких устройств достаточно высока. К примеру, модель RZMP-130-Т, мощность которой 120 Вт, обойдется покупателю в более чем 16 000 руб.

«Телеком-СТВ» выпускает намного больше различных моделей солнечных батарей. Среди них поли- и монокристаллические модули, специализированные и особые гибкие батареи, а так же монокристаллические панели повышенной эффективности. Выходное напряжение может быть адаптировано как для высоковольтных систем (34-38 В), так и для низковольтных (17-18,5 В).

Кремниевые модули выпускаются в алюминиевой рамке, накрытые специальным текстурированным стеклом. Производитель дает на свои батареи пять лет гарантии и сертифицирует свое оборудование, хотя по закону это делать не обязательно. Зеленоградские панели более легкие и менее габаритные, чем рязанские. Стоимость их почти в полтора раза ниже, несмотря на то, что качество солнечных батарей неизменно высокое.

55179abc6de776a3988ef211a9361fbf.jpg

Солнечные модули на основе аморфного кремния от завода «Хевел» могут работать в различных климатических условиях

Завод «Хевел» единственный в России, выпускающий модули по микроморфной технологии. Это пластины, выполненные на базе аморфного кремния с некоторым количеством вкраплений микрокристаллов. Панели эффективно работают в условиях рассеянного света и уверенно конкурируют с поли- и монокристаллическими батареями. Предприятие только начало выпуск продукции, поэтому найти ее пока можно не во всех магазинах. Стоимость таких панелей достаточно демократична. За устройство мощностью 125 Вт придется отдать порядка 10 000 руб, что несколько выше, чем у основного конкурента предприятия Тайваньского Green Energy Technology. Их продукция с аналогичными свойствами стоит около 7 000 руб.

Ассортимент солнечных батарей очень широк. И только человек, собирающийся приобрести фотопреобразователь, может решить, на каком варианте ему остановиться. При этом стоит учесть и мнение специалистов, которые рекомендуют для обустройства автономного электроснабжения дома остановить свой выбор на поликристаллических модулях. Понятно, что монокристаллические более эффективны, но не нужно забывать, что это достаточно условный показатель. Использование солнечных батарей становится все более популярным. Несмотря на свою дороговизну, эти устройства достаточно быстро окупаются. А главное, они позволяют получать необходимую электроэнергию практически «из ничего».

Как работают фотоэлементы солнечной батареи

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

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

024a3bc08d07f163f05dcdab99f991e0.jpg

Принцип работы фотоэлемента

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

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

f18d3782cfe5b5d77e4e27acac59fb08.gif

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

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

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

Тоже интересные статьи

  • Аккумуляторы для солнечных батарей
  • Как подключить генератор к сети дома: схема подключения
  • Как выбрать солнечную батарею для дома

Области применения солнечных панелей

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

Немного из истории

Как известно, солнечная батарея является не первым изобретением, использующим всеохватывающую энергию Солнца в качестве альтернативы электрической энергии. Первые попытки применения солнечного света — терминальные электростанции, которые имеют более распространённое название как «коллекторы». Принцип их действия заключался в нагревании воды до 100 ° С при помощи солнечных лучей, итогом чего становилась выработка электричества. Работа коллекторов состояла из многоступенчатой трансформации энергии: скопление солнечных лучей, кипячение жидкости, образование пара, движение парового двигателя и преобразование тепловой энергии в механическую.

В отличие от коллектора солнечная батарея напрямую трансформируют продукцию Солнца в электрическую энергию. Также следует отметить такую особенность солнечной батареи, как использование света, а не тепла, что позволяет образовывать электроэнергию даже зимой.

На сегодняшний день принцип работы этих приспособлений основывается на преобразовании действия лучей в электрический ток (фотоэлектрический эффект) при помощи специальных полупроводников, которые и составляют всю батарею.

6e67ae0c4022db59b07568a34242480e.jpg

Первооткрывателями фотоэлектрического эффекта являются три заслуженных учёных физика. Само явление такового процесса описал физик французского происхождения — Александр Эдмон Беккерель в 1839 году. Далее в 1873 году был открыт первый полупроводник для осуществления действия фотоэлектрического эффекта английским инженером-электриком Уиллоуби Смит. А более подробно были описаны принцип работы, схема солнечной батареи и подтверждены законы предыдущих открывателей в 1905 году всемирно известным лауреатом Нобелевской премии Альбертом Эйнштейном.

Производство солнечных батарей

1dbd7e41b47b097ed502a94a2a339f7e.jpg

Солнечная батарея состоит, как известно, из нескольких обязательных частей. Основой основ у нее, подобно двигателю у машины или сердцу у человека, является солнечная панель – прозрачный прямоугольный короб с темными квадратиками тонко нарезанного кремния внутри. Кремний, используемый в производстве, а точнее его оксид (соединение с кислородом) – основной элемент производства солнечных батарей. 

Технологии, лежащие в основе производства солнечных батарей, все время совершенствуются и состоят из нескольких этапов.

  • На первом этапе подготавливают сырье: очищают кварцевый песок, прокаливая его с коксом. В результате он освобождается от кислорода, превращаясь в куски чистого кремния, напоминающие чем-то уголь. Затем, из него выращивают кристаллы – основу солнечных панелей, упорядочив структуру кремния. Для этого чистый кремний опускают в тигель, нагревают до высокой температуры, добавляя в расплавленную лаву затравку. Можно сравнить ее с образцом будущего кристалла, вокруг которого, слой за слоем нарастает кремний упорядоченной структуры. После нескольких часов роста получается кристалл монокремния (или поликристаллический кремний, процесс получения которого более затратный, что сказывается на цене солнечных батарей из него), напоминающий большую сосульку. Затем заготовку  цилиндрическую превращают в параллелепипед. После этого заготовку режут на пластины толщиной 100-200 микрон (толщина трех человеческих волос), тестируют их, сортируют и направляют на следующую стадию обработки.
  • На втором этапе пластина паяют в секции, их которых на стекле  формируют блоки, чтобы исключить возможность механического воздействия на  готовые солнечные элементы. Секции обычно состоят из 9-10 солнечных элементов, блоки – из 4-6 секций.
  • Третий этап заключается в ламинировании спаянных в блоки пластин этиленвинилацетатной пленкой, а затем защитным покрытием, который осуществляется  с помощью компьютера, который следит за давлением, вакуумом и температурой.
  • Четвертый этап заключительный. Во время него монтируется соединительная коробка и алюминиевая рама. Вновь проводят тестирование, во время которого измеряют показатели напряжение холостого хода, ток короткого замыкания, напряжение и ток точки максимальной емкости.

0d0bed2c94d9dfc7f70b5b3f83bc2ada.jpg

Лидерами среди предприятий, производящих солнечные батареи, являются страны: Китай (компании Trina Solar, Yingli, Suntech), Япония (Sharp Solar) и США (First Solar), которая не только их производит, но также участвует в проектировании солнечных станций и их строительстве. Мощнейшая в мире СЭС Агуа-Калиенте в Аризоне – дело рук этой компании. Строительством крупнейшей СЭС  «Перово» в Украине занималась компания Австрии (Activ Solar).

4f66809f02908ea23b4f42c19cd13fca.jpg

Использование солнечных батарей производства Suntech для освещения стадиона в Пекине

Компоненты

Само устройство и принцип работы энергоисточника можно называть простым. Оно состоит всего из двух частей:

  • основного корпуса;
  • преобразовательных блоков.

276003e1dcc1e612deb943ff7163eab2.jpgВ большинстве случаев корпус делают из пластика. Он похож на обыкновенную плитку, к которой прикреплены преобразовательные блоки.

Преобразовательным блоком является кремниевая пластинка. Она может изготавливаться двумя способами:

  • поликристаллическим;
  • монокристаллическим.

Поликристаллический способ является менее затратным, а монокристаллический считается наиболее эффективным.

Все остальные дополнительные части (например, контроллеры и инверторы), гаджеты и микросхемы присоединяют только для увеличения работоспособности и функционирования источника энергии. Без них солнечная батарея также сможет работать.

Имейте в виду: для того чтобы данный источник начал функционировать нужно правильно и аккуратно подключить все преобразовательные блоки.

С расчётом мощности солнечных батарей может помочь данная статья: https://teplo.guru/eko/solnechnyie-batarei-kpd.html

Существует два вида их подключения:

  • последовательное;
  • параллельное.

ca2cf986e9f6804d4a7e52c484c03add.jpgРазница лишь в том, что в параллельном соединении происходит увеличение силы тока, а при последовательном увеличивается напряжение.

Если есть необходимость в максимальной работе сразу двух параметров, то используется параллельно-последовательное.

Но стоит учитывать, что высокие нагрузки могут способствовать тому, что некоторые контакты могут перегореть. Для предотвращения этого используют диоды.

Один диод способен защитить одну четвертую часть фотоэлемента. Если их нет в устройстве, то есть большая вероятность, что весь источник энергии прекратит своё функционирование после первого же дождя или урагана.

Важный момент: ни накопление, ни сила тока совершенно не соответствуют возможным параметрам современной бытовой техники, поэтому приходится перераспределять и накапливать электроэнергию.

cb7c464a705ab4e5ee70ecfa5ece6408.jpgДля этого рекомендуется дополнительно подключать минимум два аккумулятора. Один будет являться накопительным, а второй запасным или резервным.

Приведем пример работы дополнительных аккумуляторов. Когда на улице хорошая и солнечная погода, то заряд идет быстро и через малое количество времени появляется уже лишняя энергия.

Поэтому весь этот процесс контролирует специальный реостат, который способен в определенный момент перевести всю ненужную электроэнергию в дополнительные резервы.

Познакомиться с отзывами владельцев солнечных батарей можно в данной статье: 

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.

Монтаж солнечной батареи

Сооружение станции на солнечных батареях имеет преимущество перед укомплектованным оборудованием возможностью постоянно наращивать мощность, и оптимизировать процесс.

Начать изготовление станции нужно с разработки проекта. На этом этапе учитываются следующие факторы:

— место установки модулей;

— расчёт угла наклона конструкции;

— если предполагается использовать кровлю под установку, просчитать несущую способность кровельного каркаса, стен и фундамента;

— отдельное помещение или уголок в доме под аккумуляторы.

После приобретения необходимого оборудования и фотоэлементов выполняется монтаж.

• Каркас собирается из алюминиевого уголка шириной 35 мм. Объем ячейки должен соответствовать размерам необходимого количества фотоэлементов (835х690 мм).

42cd7f41980275c93fd846923d1d8307.jpeg

• Внутреннюю часть уголка обработать герметиком в два слоя.

• В раму уложить лист из оргстекла, поликарбоната, плексигласа или другого материала. Уплотнить соединения рамы и листа путём лёгкого прижима поверхностей по периметру. Оставить на открытом воздухе до полного высыхания.

• Зафиксировать стекло десятью метизами в отверстия, размещённые по углам и сторонам рамки.

• Перед креплением фотоэлементов очистить поверхность от пыли.

• Припаять проводник к плитке, предварительно протерев контакты спиртом и уложив на них флюс. Во время работы с кристаллом нужно избегать давления на него. Хрупкая структура может разрушиться.

f026d361c832620446bc906f35588e8a.jpg

• Перевернуть пластины и выполнить пайку аналогичным образом.

• Выложить фотоэлементы на оргстекло в рамке, зафиксировать их с помощью монтажной ленты. Раскладку легче выполнить после разметки. Рекомендуется также использовать для крепления силиконовый клей. Наносить его нужно точечным способом. Одной капли на плитку вполне достаточно.

• Располагать кристаллы нужно с соблюдением зазора 3-5 мм, чтобы при нагревании материала не деформировалась поверхность.

• Выполнить соединение проводников по краям фотоэлементов с общими шинами.

• Специальным прибором протестировать качество пайки.

• Герметизировать панель, нанеся герметик между плитками

Осторожно придавить их пальцами, чтобы края плотно прилегли к стеклу. Также необходимо промазать герметиком края рамки

4c04777c917f71028b882f0ae2d45889.jpg

• Закрыть рамку защитным стеклом. Уплотнить все соединения для предотвращения попадания внутрь влаги.

a04e4bf082958df3d065d79241071b89.jpg

• Закрепить панель на кровлю или другое место, расположенное на солнечной стороне.

     Поделиться:

Портативная солнечная батарея специально для туристов

2ec50a5cc82609ed5fce2b041ec353aa.jpg

У каждого в наше время есть электронные гаджеты. Не суть, что у кого-то их меньше, а кого-то больше. Все их необходимо заряжать, а для этого нужны зарядные устройства. Но, особенно остро этот  вопрос касается тех, кто попадает в места, где отсутствует электропитание. Единственным выходов являются солнечные батареи. Но, цены на них остаются высокими, а выбор — небольшим. Оптимальным вариантом, как принято считать, является продукция компании Goal Zero (хотя есть и российская продукция, и китайская – как всегда вызывающая сомнении).

75fcdf9c2a37c6a033741e0ad1548455.jpg

Но, оказалось, что не все то плохо, что сделано в Китае или Корее. Особенно порадовала солнечная батарея компания YOLK из Чикаго, которая начала производство компактной солнечной батареи Solar Paper – самой тонкой и легкой. Ее вес всего 120 граммов. Но есть и другие преимущества – модульная конструкция, позволяющая наращивать мощность. Солнечная батарея похожа на  пластиковую коробку, по размерам напоминающую Ipad, только тоньше в два раза. На ее лицевой стороне размещена солнечная панель. Есть на корпусе выход для ноутбука и порты USB и для подключения других солнечных панелей, а также фонарик. Внутри этой чудо коробки – аккумуляторы и плата управления. Зарядить девайс  можно от розетки, причем, одновременно это могут быть телефон и два ноутбука. Конечно, заряжается устройство и от солнца. Как только на него попадает свет, загорается индикатор. В походных условиях солнечная панель просто незаменима: с успехом заряжает все нужные устройства – телефоны быстрее,  ноутбуки.

Портативные солнечные батареи отличаются компактными размерами: они выпускаются даже в виде брелков, прикрепить которые можно к чему угодно. Разрабатывались они для того, чтобы можно было их взять на рыбалку, в поход и пр. Обязательно у них имеется фонарик, чтобы ночью можно было осветить дорогу, палатку и т.д., крепления, позволяющие легко их разместить на рюкзаках, байдарках, палатках

Очень важно, чтобы в таком устройстве был встроенный аккумулятор, позволяющий заряжать девайсы и в ночное время.

Принцип действия батареи

Солнечная батарея — устройство генерации постоянного тока, располагается на крыше дома. К нему подключаются аккумуляторные батареи с датчиком контроля заряда и инверторами, преобразующими ток постоянный в переменный.

d845a966c9534b347f397ba1cc5096c6.jpgff481578acf13a9bb830539bad0ea8b0.jpgb14166730c9d8e31fc8dbbffb6abe3ed.jpg092cef2a13471fe5bc3f3d946292bf3b.jpge55a3cdc64b0219a22790f9e3b80c66f.jpgad093a5a10e2810a98d4724ff2bc127c.jpgcaebca9bc0b01bae9b445a9179c96fef.jpg

Фотоэлементы, расположенные на панельном устройстве, трансформируют энергию солнца в электричество. Все фотоэлементы подключаются параллельным и последовательным способами в единое целое, в результате этого вырабатывается некоторое количество энергоресурса.

ad93eeb075ec30873733c51436ad9970.jpg

Параллельный способ подключения производит ток, а последовательный – напряжение.

898b76638df28c8bf7e923832072f494.gif

Эффективное функционирование батареи без сбоев возможно благодаря объединению двух способов в единый механизм. Диоды используются в скреплении деталей панели, чтобы не было перегрева и разрядки аккумуляторов.

6767fada73287a0e0db4dfb49e77529b.jpg

Контроллер заряда, которым оснащен аккумулятор, способен собирать и сохранять энергию от солнечной батареи. Резистор, подключенный к батарее, обеспечит возможное повреждение системы в целом.

408f75ff8de633f9fad0626103b966d5.jpg

Инвентор необходим для пропуска переменного тока из батареи, чтобы использовать его в быту. Возможно, для освещения дома. Установку солнечных батарей можно произвести своими руками или воспользоваться услугами профессионалов.

a5bbef2b957e02507d08b100623fcea1.jpg215d7ce57a0e738614cd5c8a8f1e59f8.jpg1737c0dae7deb1065c05a7920e4d804f.jpg2022b4b8158408472e5d8f583dd4d714.jpg8f0a30c2e3c8f7ddd95a01833ea1b819.jpg7cc67058d0f72c0b11983c904eee2705.jpg

Преобразование солнечной энергии

Чтобы понять, как работают солнечные батареи, нужно знать устройство и принцип работы. Непосредственное превращение солнечной энергии в электрический ток происходит внутри фотоэлементов, соединенных последовательно между собой. Основой каждого из них служат кристаллы кремния, широко распространенные в природе в виде различных соединений. Более всего известен обычный песок, который является оксидом кремния. По аналогии, кристаллический кремний представляет собой крупную песчинку, выращенную искусственным путем.

Готовые кристаллы получаются в форме кубиков, после чего они разрезаются на тонкие пластины, толщиной 200 микрон. На одну сторону такой пластинки наносится слой бора, а на другую – слой фосфора. На границе кремния и бора присутствует избыточное количество электронов, а со стороны фосфора их, наоборот, не хватает. Место стыковки с такими физическими свойствами называется р-п переходом.

e05fbed050d815226baf420627bd7a89.jpg

Принцип действия солнечной батареи заключается в следующем. Когда солнечный свет попадает на фотоэлементы, его фотоны начинают бомбардировать поверхность. Излишки электронов выбиваются, после чего начинается их движение туда, где их не хватает, то есть, в сторону дырок. В этот момент и происходит возникновение электрического тока, представляющего собой упорядоченное движение электронов. Сбор электричества производится по металлическим дорожкам, подведенным к каждому фотоэлементу.

Отдельно взятый фотоэлемент обладает незначительной мощностью. Его напряжение находится в пределах 0,5 В. Для получения более высокого выходного напряжения в 18 вольт, элементы в количестве 36 единиц соединяются последовательно в общую батарею. Полученного напряжения вполне достаточно аккумулятору на 12 вольт. Данные параметры взяты по максимуму, на практике же заявленные показатели будут ниже. Все зависит от того, как устроена солнечная батарея.

Готовая батарея в сборе устанавливается на подложку, сверху накрывается стеклом, после чего все швы и стыки герметизируются. Сами батареи также могут соединяться между собой последовательно или параллельно. В результате, получаются небольшие солнечные электростанции, широко используемые на дачах и в частных домах. Единственным условием является чистая поверхность и наличие яркого солнечного света.

Принцип работы

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

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

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

e177ded87e5565d2d39b0fac64f02a3f.jpg

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

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

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

Кремниевые преобразователи солнечной энергии

Солнечными батареями, изготавливаемыми из кремния, вырабатывается ток постоянной величины, образуемый благодаря попаданию на кремневодородные элементы потоков солнечного света. Особенность материала такова что световые потоки, попадающие на поверхность, производят сдвиг электронов с орбиты атома. Благодаря этому свободные электроны вырабатывают электричество. Такие преобразователи обладают высокой производительностью, но имеют сложную в изготовлении конструкцию, из-за которой значительно возрастает цена устройства. При этом на сегодняшний день различают определённые модели кремниевых устройств.

  1. Монокристаллический преобразователь, отличительной особенностью элементов которого является общая направленность чувствительных к свету ячеек в одном направлении. Это, в свою очередь, позволяет работать солнечной батарее с максимальным коэффициентом КПД. Но для качественной работы фотоприёмники должны быть постоянно развёрнуты к свету.
  2. Поликристаллическое устройство работает благодаря пластинам, состоящим, из разнонаправленных кристаллов кремния что снижает уровень КПД на несколько процентов. Также такие солнечные батареи отличаются внешне, так как состоят из пластин с правильной формой и тёмно-синим окрасом. Неоднородность оттенка и структуры таких устройств обусловлена разнородностью кристаллов кремния и наличием различных примесей.
  3. Аморфное преобразующее устройство представляет собой тончайшие кремниевые слои, получаемые путём напыления материала в условиях вакуума. В качестве основы берут высококачественную металлическую фольгу, стекло или полимерные материалы. Такие солнечные батареи имеют незначительный КПД по сравнению с другими преобразователями. Это в первую очередь обусловлено повышенным выгоранием кремниевого слоя под влиянием радиации солнечных лучей. Как стало известно, из практики качество работы аморфного преобразователя через несколько месяцев снижается на 25%, а по прошествии нескольких лет солнечная батарея совсем перестаёт работать.
  4. Гибридный фотопреобразователь – устройство, объединившее в себе аморфные панели и микрокристаллический кремний. Качество работы гибридного преобразователя приближено к характеристикам поликристаллического аналога, с единственным отличием в том, что уровень КПД даже при рассеянном свете на порядок выше. Помимо этого, такие солнечные батареи могут преобразовывать как ультрафиолетовый спектр, так и инфракрасное излучение.

Все дело в кремнии

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

46bb1182a43181f4f293c2ed7643918c.jpg

Солнечная панель состоит из нескольких фотоэлементов.

Важно. Кремний – наиболее распространенный полупроводник на Земле (около 30% всей земной коры) . Кремний располагается между двумя токопроводящими слоями

Кремний располагается между двумя токопроводящими слоями.

167cbfb77c755e5da4cb19366a75ebd5.jpg

«Сэндвич» из кремния и токопроводящих слоев

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

b89c47708fa2660483f987f1219bfb3c.jpg

Структура атомов кремния

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

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

c2adbe1b639106ba5db28d76851660d7.jpg

Кремний Р и N типа

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

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

b804c5185b27010171d6356fdf76d1b4.jpg

После «освобождения» электрон стремится к проводнику

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

Работа фотоэлемента

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

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

Полимерный преобразовать солнечной энергии

4fa88c8a55d5dbdaf02f9a857216fe9d.jpgПолимерный преобразователь солнечной энергии в электрическую – перспективный вариант замены кремниевого аналога. Прибор состоит из плёнки с полимерным активным слоем, электродов из алюминия и подложки с высокой гибкостью. Благодаря объединению всех фотоэлементов между собой получается устройство рулонного типа.

Такие солнечные батареи достаточно гибкие и имеют незначительный вес. При этом их стоимость намного ниже чем у аналогов из кремния, который является дорогостоящим материалом. Помимо этого, такие системы обладают высокой экологичностью что очень актуально на сегодняшний день.

Хочется отметить, что полимерные солнечные батареи имеют невысокий КПД. Для широкого потребителя первые такие устройства начали производить в Дании. При этом сама процедура производства происходит за счёт многослойной печати фотоэлементов на специальной гибкой плёнке, которую можно разрезать по любым размерам что очень удобно. Стоимость плёночного элемента намного меньше чем у аналогов из кремния. Но повстречать такую солнечную батарею на прилавках магазинов практически невозможно. Процесс производства только входит в начальную стадию развития.

Расчет количества батарей

Чтобы рассчитать требуемую мощность солнечных панелей, следует узнать, какое количество энергии потребляется в доме или коттедже. К примеру, если потребление электроэнергии составляет 100 кВт в час ежемесячно с напряжением 220 В (нужную цифру покажет электрический счетчик), то необходимо обеспечить выработку солнечными панелями такого же количества энергии.

Дачный комплект батарей способен переработать энергию солнца лишь в течение светового дня. Приближенную к максимальному значению мощность она выдает только в безоблачную погоду, и когда солнечные лучи падают на нее под углом 90 градусов. Если угол увеличивается или уменьшается, показатель рабочей мощности снижается, и чем выше острота угла, тем меньше показатель мощности. В жарких условиях часть отдачи теряется из-за нагрева батарей. В пасмурные дни мощность установки сокращается в 15 раз, даже если на небе есть легкие облака, то мощность все равно упадет в 3 раза. Эти моменты нужно учесть заранее.

Важно! Для расчета рекомендуется брать рабочее время, в течение которого панели работают с наибольшей мощностью. Это 7 часов – с 9 до 16 часов

Летом батареи будут работоспособны с раннего утра до позднего вечера, однако эффективность после рассвета и перед закатом будет невысокая – всего 20% от полуденной мощности. Так что 80% электричества вырабатывается с 9 до 16 часов.

Расчет количества батарей для дачи или дома производится следующим образом:

  • Учитывается, что солнечные модули летом функционируют только 7 часов с высокой мощностью.
  • Рассчитываются затраты электрической энергии в день.
  • Полученная цифра делится на 7. Результат – требуемая мощность электростанции.
  • К этому значению добавляют 40%, с учетом потерь в аккумуляторе и инверторе.
  • Прибавляется еще 20%, если применяется контроллер PWM, а если система работает с МРРТ, то этот пункт не нужен.

С учетом итогового значения мощности для питания дома, рассчитывают и выбирают число батарей.

221b6818baa90bdb1ec4d30393359dce.jpgПри расчете количества солнечных батарей отталкиваются от необходимой энергии

Из чего состоит модуль гелиоустановки

В продаже есть готовые панели мощностью 40−260 пиковых ватт. Пиковые ватты показывают максимально возможную мощность при ярком солнце и правильной установке (угол наклона, соединение). Их размер колеблется от 0,4 до 2,5 квадратных метров.

При желании такой модуль можно собрать самостоятельно, но следует учесть, что нужно обеспечить высокую степень герметизации. В заводских условиях это достигается помещением модуля в вакуумную печь, где и производится ламинирование.

По своей конструкции модуль — это отдельные ФЭП элементы, соединенные между собой металлическими шинами. После соединения, получившуюся панель, шунтируют диодами. Это делается для предотвращения выхода из строя тех частей, которые могут оказаться затененными.

При отсутствии диодов энергия из освещенных ячеек перетекает в неосвещенные, из-за чего последние перегреваются. Если шунтирование произведено, то в момент затемнения панель дает меньшую мощность (на 25%), а все ячейки остаются работоспособными.

1763b8e7b4c58d370c9dfd05b2969d1b.jpg

Далее панель ламинируют и помещают между многослойными стеклами, после чего заключают в пластиковый или алюминиевый каркас. К нижней стороне модуля подключают клеммную коробку, где находятся контакты для подключения к электрической цепи.

Существующие разновидности

Классифицируются солнечные батареи по мощности вырабатываемого электричества, которая зависит от площади панели и ее конструкции. Мощность потока солнечных лучей на экваторе достигает 1 кВт, тогда как в наших краях в облачную погоду она может опускаться ниже 100 Вт. В качестве примера возьмем средний показатель (500 Вт) и в дальнейших расчетах будем отталкиваться от него.

b7e217a5f5a84f5a72d5a99d84c90cb8.jpgНаручные часы Citizen Eco-Drive с солнечной батареей вместо циферблата

Самым низким коэффициентом фотоэлектрического преобразования обладают аморфные, фотохимические и органические фотоэлементы. У первых двух типов он равен примерно 10 процентам, а у последнего – всего лишь 5 процентам. Это означает, что при мощности солнечного потока в 500 Вт солнечная панель площадью один квадратный метр будет вырабатывать соответственно 50 и 25 Вт электроэнергии.

9ea82f59867e6b34fcb31b8d22e0ff13.jpgМонтаж солнечных панелей на крыше жилого дома

В противовес вышеупомянутым типам фотоэлементов выступают солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников. Коэффициент фотоэлектрического преобразования на уровне 20%, а при благоприятных условиях — и 25% для них привычное дело. Как результат, мощность метровой солнечной панели может достигать 125 Вт.

b4fcf944deaafd0cfe9702002af83123.jpgГоночный электромобиль Honda Dream на солнечных батареях появился еще в 1996 г.

Конкурировать по мощности с кремниевыми солнечными батареями способны разве что решения на основе арсенида галлия. Используя это соединение, инженеры научились создавать многослойные фотоэлементы с КФП свыше 30% (до 150 Вт электричества с квадратного метра).

1f1e5e97416269d764e7c2041d77825b.jpgПортативная солнечная панель Solarland мощностью 130 Вт и стоимостью $860

Если же говорить о площади солнечных батарей, то существуют как миниатюрные «пластинки» мощностью до 10 Вт (для частой транспортировки), так и широченные «листы» на 200 Вт и более (сугубо для стационарного использования).

550f2e77b9f40d81bf4745101d750a79.jpgБеспилотный самолет, разработанный NASA Ames Research Center, способен на солнечной энергии пролететь от восточного побережья США до западного

На работу солнечных батарей может негативно влиять ряд факторов. К примеру, с ростом температуры снижается КФП фотоэлементов. Это при том, что солнечные батареи как раз-то и устанавливают в жарких солнечных странах. Получается своеобразная палка о двух концах.

c3e49f1c6cf5f4338ecacf5697efbb66.jpgСолнечную батарею Voltaic можно носить у себя за спиной

А если затемнить часть солнечной панели, то неактивные фотоэлементы не только прекращают вырабатывать электричество, но и становятся дополнительной, зловредной нагрузкой.

«Солнечное дерево – культурный и одновременно научный символ австрийского городка Глайсдорф

 

Отопление солнечной энергией домов

Принцип работы 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.5e443363bd25bc25a933ebe6293fc9f1.jpg

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.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here