Как устроены солнечные батареи. Как устроены и работают солнечные батареи: принцип действия, виды и эффективность

Как устроены солнечные панели и из чего они состоят. Какой принцип работы солнечных батарей. Какие бывают виды фотоэлементов. От чего зависит эффективность и КПД солнечных батарей. Как рассчитать мощность солнечной электростанции для дома.

Из чего состоит солнечная батарея

Солнечная батарея (панель) состоит из следующих основных элементов:

• Фотоэлементы — основной компонент, преобразующий энергию света в электричество
• Защитное стекло — прозрачное покрытие, защищающее фотоэлементы от внешних воздействий
• Герметизирующий слой — защищает от влаги и пыли
• Токосъемные контакты — собирают генерируемый ток
• Каркас — обеспечивает жесткость конструкции

Ключевым элементом являются фотоэлементы, изготавливаемые из полупроводниковых материалов, чаще всего из кремния. Именно в них происходит преобразование световой энергии в электрическую.

Принцип работы солнечных батарей

Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте. Как это происходит:

1. Фотоны солнечного света попадают на поверхность фотоэлемента
2. Фотоны выбивают электроны из атомов полупроводника
3. Благодаря особой структуре фотоэлемента, электроны движутся направленно
4. Возникает разность потенциалов и электрический ток

Таким образом, солнечная батарея напрямую преобразует энергию света в электрическую энергию постоянного тока. Чем интенсивнее солнечный свет, тем больше электроэнергии вырабатывается.

Виды фотоэлементов для солнечных батарей

Существует несколько основных видов фотоэлементов, используемых в солнечных батареях:

1. Монокристаллические

Изготавливаются из цельных кристаллов кремния высокой чистоты. Имеют КПД 17-22%. Отличаются высокой эффективностью и долговечностью, но дороги в производстве.

2. Поликристаллические

Состоят из множества мелких кристаллов кремния. КПД 12-18%. Дешевле монокристаллических, но менее эффективны.

3. Тонкопленочные

Изготавливаются путем нанесения тонких слоев фотоактивного материала на подложку. КПД 6-12%. Самые дешевые, но наименее эффективные.

Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки. Выбор зависит от конкретных условий применения и бюджета.

От чего зависит эффективность солнечных батарей

Эффективность солнечных батарей определяется несколькими ключевыми факторами:

• Тип и качество используемых фотоэлементов
• Интенсивность солнечного излучения
• Угол падения солнечных лучей на панель
• Температура поверхности батареи
• Чистота поверхности панели
• Потери при преобразовании энергии

Современные солнечные батареи имеют КПД от 15% до 22%. Это означает, что в электроэнергию преобразуется 15-22% падающего на них солнечного излучения.

Как рассчитать мощность солнечной электростанции для дома

Чтобы рассчитать необходимую мощность солнечной электростанции для дома, нужно:

1. Определить среднесуточное энергопотребление дома (кВт*ч)
2. Оценить среднюю солнечную инсоляцию в вашем регионе
3. Учесть потери в системе (инвертор, проводка и т.д.)
4. Рассчитать необходимую мощность панелей с запасом 20-30%

Например, если дом потребляет 10 кВт*ч в сутки, а средняя инсоляция составляет 4 часа, то с учетом потерь и запаса потребуется солнечная электростанция мощностью около 3-4 кВт.

Преимущества и недостатки солнечных батарей

Основные преимущества солнечных батарей:

• Экологичность — не загрязняют окружающую среду
• Возобновляемый источник энергии
• Низкие эксплуатационные расходы
• Возможность автономного энергоснабжения

Недостатки солнечных батарей:

• Зависимость от погодных условий и времени суток
• Высокие первоначальные затраты на установку
• Необходимость периодической очистки панелей
• Снижение эффективности при нагреве

Несмотря на недостатки, солнечная энергетика активно развивается и становится все более доступной и эффективной.

Перспективы развития солнечных батарей

Технологии солнечных батарей постоянно совершенствуются. Основные направления развития:

• Повышение КПД фотоэлементов
• Снижение стоимости производства
• Разработка новых фотоактивных материалов
• Создание гибких и прозрачных солнечных панелей
• Интеграция солнечных элементов в строительные материалы

Ожидается, что в ближайшие годы эффективность солнечных батарей значительно возрастет, а стоимость снизится, что сделает солнечную энергетику еще более привлекательной.

Как работают солнечные батареи

В рамках международных программ по устойчивому развитию и глобального «озеленения» специалисты ищут альтернативные источники энергии. Одним из таких решений являются солнечные батареи, которые все чаще используются в новых домах — в том числе в России. Т&Р рассказывают, как рассчитать необходимую для солнечных батарей энергию, и объясняют, почему их нельзя считать полностью экологичными.

Устройство солнечных батарей

Согласно данным Statista, мировая мощность солнечных батарей выросла с 5 гигаватт в 2005 году до 509,3 гигаватта к 2018 году. В одной только Германии совокупное количество солнечных батарей достигло 42,4 гигаватта. Эта технология остается одним из наиболее финансируемых возобновляемых источников, а стоимость рынка солнечной энергии продолжает расти.

Система с солнечными батареями может полностью обеспечивать электроэнергией средний дом в течение нескольких часов, если он подключен к сети. Даже если электричество отключить, батареи продолжат работу.

Система накопления солнечной энергии состоит из четырех основных частей:

Солнечные панели — они обеспечивают электричеством систему при достаточном солнечном свете.

Контроллеры заряда солнечных батарей — управляют мощностью, поступающей в батареи, и предотвращают обратный ток, который истощает батареи, когда солнце не светит.

Батареи — запасают энергию постоянного тока от солнечных панелей для последующего использования в доме.

Инвертор — преобразует мощность постоянного тока от солнечных панелей или батарей в мощность переменного тока для дома.

Две кремниевые пластины покрыты разными веществами (бор и фосфор). На пластинке с фосфором образуются свободные электроны. Они начинают двигаться под воздействием солнечного света. Образуется электрический ток, который впоследствии направляется в сами батареи, где и накапливается солнечная энергия.

Чем больше панель, тем больше энергии вы можете собрать. Иногда собирается больше энергии, чем необходимо, поэтому на более крупных панелях устанавливается стабилизатор напряжения для управления потоком энергии и предотвращения повреждения батареи. При выборе солнечной батареи нужно знать, сколько энергии она может хранить. Затем вы можете выбрать солнечную панель, которая может пополнить ваш запас энергии в батарее с учетом того, как часто вы пользуетесь какой-то техникой.

Как рассчитать солнечную энергию

Теоретически, чтобы рассчитать энергию солнечной батареи, нужно умножить ватты (солнечной панели) на количество часов нахождения на солнце. Например, если телевизор мощностью 20 Вт будет включен в течение двух часов, его батарея потребует 20×2 = 40 Вт в день.

На практике этот способ не работает, так как есть множество внешних факторов, таких как сезонные различия, климатические и так далее.

Британская организация Solar Technology International приводит пример: в средний зимний день в Великобритании период солнечного света составляет всего один час, в летние дни — около шести часов солнечного света. Таким образом, зимой 10-ваттная панель будет обеспечивать 10-ваттную энергию обратно в батарею (10 Вт x 1 = 10 Вт). А летом 10-ваттная панель будет обеспечивать 60-ваттную энергию обратно в вашу батарею (10 Вт x 6 = 60 Вт).

Солнечные батареи — это экологично?

Для изготовления солнечных панелей требуются едкие химические вещества, такие как гидроксид натрия и плавиковая кислота, а в процессе используется вода, а также электричество, при производстве которых выделяются парниковые газы.

Согласно данным National Geographic, в Китае производитель панелей Jinko Solar столкнулся с протестами, на него подали в суд, так как один из его заводов в восточной провинции Чжэцзян сбрасывал токсичные отходы в близлежащую реку.

Кроме того, до сих пор не решена проблема с переработкой солнечных батарей. Бен Сантаррис, директор по стратегическим вопросам SolarWorld, сказал, что его компания прикладывает усилия по переработке панелей, но результата пока нет. По словам Дастина Малвани, доцента экологических исследований в Государственном университете Сан-Хосе, переработка крайне важна из-за материалов, используемых для изготовления панелей, так как при попадании в мусорку они становятся опасны для окружающей среды. По данным Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation, на переработку солнечных панелей, выпущенных за все время в Японии, потребуется не менее 19 лет.

Как устроены и работают солнечные батареи

Сегодня люди не ограничены в выборе источников энергии для собственного пользования, поэтому получить в свое распоряжение альтернативный и независимый источник энергии не составляет труда. Солнечные батареи или фотоэлектрические источники энергии пользуются наибольшей популярностью.

Со временем дорогостоящее оборудование альтернативного источника энергии окупается, а вырабатываемый им ресурс становится бесплатным. Также важно знать, что солнечные батареи являются экологичным источником энергии. Кроме того, за последние годы стоимость фотоэлектрических установок стала более доступной, и она продолжает снижаться. Такое обстоятельство говорит о будущих больших перспективах использования энергии солнечного света.

Источник солнечной электроэнергии состоит из двух основных частей: генератора постоянного тока (солнечной батареи) и аккумулятора с прибором контроля инвертора и заряда, который преобразует постоянный ток в переменный. Сами солнечные батареи состоят из целого набора фотоэлектрических преобразователей, превращающих энергию солнца в электрическую.

Многие солнечные элементы изготавливают из кремния. Именно он является наиболее дорогостоящим компонентом всей системы и обуславливает достаточно высокую стоимость солнечных батарей. Фотоэлектрические преобразователи могут быть изготовлены из поликристаллического и монокристаллического кремния. Их основное отличие заключается в технологии изготовления. У первых коэффициент полезного действия составляет 15 %, а у вторых 17,5 %.

Самым важным техническим параметром любой солнечной батареи можно назвать полезную мощность. Именно она оказывает влияние на экономичность всей установки. Мощность определяется величиной напряжения и выхода тока. Данные параметры зависят от того, насколько интенсивно солнечный свет попадает на поверхность фотоэлемента.

Электродвижущая сила отдельных элементов солнечной батареи не зависит от площади и уменьшается при нагревании батареи солнцем приблизительно на 0,4 % или на 1 градус Цельсия. Выходной ток зависит только от интенсивности излучения солнца и размера самих солнечных элементов. Чем больше и ярче светит солнце, тем больше тока генерируют солнечные элементы. В пасмурную погоду наоборот, зарядный ток и мощность снижаются.

Если солнечную батарею замкнуть на какую либо нагрузку в электрической цепи с сопротивлением Rн, то величину электрического тока I можно будет определить по качеству фотоэлектрического преобразователя, сопротивлению нагрузки и интенсивности освещения. Выделяемая мощность в нагрузке будет равна величине тока, помноженной на напряжение в зажимах батареи.

Самая большая мощность батареи выделяется при оптимальном сопротивлении, способствующему высокому коэффициенту полезного действия. Здесь все зависит от качества и размера рабочей поверхности солнечных батарей, а также интенсивности солнечного света.

Солнечная батарея включает в себя несколько отдельных элементов, параллельно и последовательно соединенных между собой. Таким образом удается увеличить выходные параметры тока, напряжения и мощности. Последовательное соединение элементов помогает увеличить выходное напряжение, а параллельное увеличивает ток. В случае выхода из строя батареи вся цепочка элементов не прерывается, что говорит о надежности источника энергии.

Исходя из этого можно сделать вывод, что солнечная батарея представляет собой цепь элементов. Величина отдаваемого электрического тока такой цепи увеличивается до максимума в зависимости от освещенности. Она прямо пропорциональна числу включенных в цепь солнечных элементов. Таким образом можно с помощью комбинации типов соединений подобрать требуемую выходную мощность солнечной батареи.

В случае отсутствия диодов солнечные элементы подвергаются перегреву и ломаются, поскольку на время затемнения в них разряжаются аккумуляторы. Именно поэтому в фотоэлектрических установках должны присутствовать диоды для уменьшения напряжения.

Вся получаемая энергия солнца постепенно скапливается в аккумуляторе, а после отдается в нагрузку. Аккумуляторы представляют собой химические источники тока, заряд которых происходит при приложении к ним потенциала, превышающего большее напряжение.

В хорошей солнечной батарее число параллельно соединенных элементов составляют так, чтобы при падении напряжения ток солнечной батареи оставался на определенном уровне.

Процесс поддержания преобразованной энергии на требуемом уровне контролируется специальным прибором фотоэлектрической системы – контроллером. При циклическом заряде системе требуется постоянный ток или напряжение.

В период высокой освещенности аккумулятор солнечной батареи заряжает 100% номинальной емкости, а потом питает уже подключенную нагрузку. Солнечные батареи соединяются с аккумулятором через контроллер заряда. Если аккумулятор заряжен полностью и электроприборы не используются, то солнечная батарея автоматически отключается от аккумулятора с помощью контроллера заряда . Чтобы преобразовывать постоянное напряжение аккумуляторной батареи в переменное и пригодное для питания большинства электроприборов, необходимо использовать инвертер. Без него от солнечной батареи можно питать энергией только те устройства, которые не работают на постоянном напряжении. Это могут быть приемники, светодиодные лампы, энергосберегающие источники света и портативная техника.

Как устроены и как работают солнечные батареи?

Обновлено: 17.02.2021

Как устроен и работает фотоэлемент?

Фотоэлемент преобразует энергию солнечного света в электроэнергию. Он изготавливается из пластины очищенного кремния, в верхнюю часть которой добавляют атомы фосфора, а в нижнюю — атомы бора.

Таким образом, в пластине образуются 2 слоя: сверху N-слой (Negative) с избытком электронов, а снизу — P-слой (Positive) с дефицитом электронов. Между слоями образуется PN-переход — электрическое поле, не позволяющее электронам из N-слоя переходить в P-слой.

Фотоны солнечного света выбивают электроны из атомов кремния в PN-переходе. При этом, под воздействием поля PN-перехода, электроны переходят только в верхний N-слой. Между слоями усиливается разность потенциалов, и соединив их электродами, можно получить электрический ток.

Как устроена солнечная панель

Ячейки фотоэлементов последовательно соединяют, крепят на каркас и запаковывают в общую рамку (таким образом, чтобы в случае выхода из строя их можно было заменять по одному). Получается солнечная панель с двумя электродами, генерирующая постоянный ток.

Чтобы защитить солнечную батарею от дождя и ветра, снаружи ее покрывают стеклом.

Т.к. кремний хорошо отражает свет, значительная часть фотонов может не достигать PN-перехода. Чтобы уменьшить потери, фотоэлементы покрывают антибликовым покрытием.

КПД и эффективность солнечных батарей

Коэффициент фотоэлектрического преобразования современных солнечных батарей — примерно 20%. Т.е. всего 20% энергии солнечного света преобразуется в электричество. Причем, КПД снижается при нагреве солнечной панели из-за броуновского движения электронов.

Однако, для владельца солнечной электростанции важен не столько КПД панелей, сколько их мощность (т.е. сколько энергии они могут вырабатывать), а также стоимость, надежность и срок службы.

Как рассчитать рентабельность солнечной электростанции — описано здесь.

Однако, не забывайте, что технологический прогресс в солнечной энергетике постоянно снижает стоимость солнечных панелей, повышает их надежность и срок службы, и даже КПД.

Виды солнечных панелей

— Монокристаллические — на основе монокристалла кремния. КПД около 19% от номинальной мощности, для производства 1 кВт энергии необходима площадь 7 кв.м. Применение нашли как в быту, так и на специальных станциях.

— Поликристаллические — на основе выращенных поликристаллов кристаллов кремния. КПД — около 16% от номинальной мощности, для производства 1 кВт энергии необходимо 8,3 кв.м. Применяются там, где необходимы отдельные элементы мощностью свыше 200 ватт.

— Тонкопленочные фотовольтажные модули (ТFT) — наиболее производительные на данный момент. КПД — около 25% от номинальной мощности, для производства 1 кВт энергии необходимо 18,3 кв.м. Рациональны там, где необходимо производить свыше 2,5 кВт выходной электроэнергии, т.е. системы от 10 КВт номинальной мощности. Отличаются высокой чувствительностью и могут работать при рассеянном свете, при этом дают высокое напряжение при низком токе.

Мировыми лидерами производства солнечных панелей являются компании First Solar (США), Sharp (Япония), Suntech, Yingli, Trina Solar (все Китай).

Ниже — представлены новости развития технологий солнечных батарей.

12.02.21. В Корее создали солнечную панель, которую можно свернуть в рулон

Инженеры из Пусанского национального университета в Корее разработали прототип солнечных элементов, которые можно полностью складывать. Им удалось создать проводящую пленку из однослойных углеродных нанотрубок, внедрить эту пленку на подложку, а затем легировали ее оксидом молибдена, чтобы улучшить ее проводимость. Солнечную панель, созданную таким образом, можно свернуть в рулон или изогнуть так, как это требуется конструкцией. Это поможет не только упростить транспортировку подобных панелей, но и облегчить их внедрение в такие устройства, как автомобили, телефоны, и даже в одежду.

2020. Созданы первые перовскитные фотоэлементы с КПД 18%

Перовскит — минерал, который может прийти на смену кремнию в индустрии фотоэлементов. По КПД он не уступает кремнию, но позволяет изготавливать более легкие, гибкие и полупрозрачные солнечные панели, идеально подходящие для облицовки зданий. Однако, есть проблема с нанесением перовскита на большие площади, т.к. обычно это приводит к появлению дефектов и снижению КПД. Специалисты Наньянского технологического университета (Сингапура) применили метод нанесения перовскитного покрытия тепловым напылением и обнаружили, что в результате получаются модули солнечных элементов на 21 кв. см с рекордным КПД — 18,1%. Это наивысший зарегистрированный результат для масштабируемых перовскитовых фотоэлементов.

2020. Украинский стартап создал солнечную электростанцию в виде куба

Украинская компания «Карбон КНС», занимающаяся строительством промышленных солнечных электростанций, разработала небольшую домашнюю СЭС в форме куба — Cuber. Ее особенности в том, что, в отличие от классических СЭС, ее установка не требует подготовительных работ и укрепления крыши. Cuber представляет собой компактную солнечную электростанцию габаритами 2*2 метра. Поставляется в собранном виде, но, по словам разработчиков, на то, чтобы собрать конструкцию, подключить и начать пользоваться — уйдет всего один день. Cuber стоит $3000. Мощность — 3 кВт*ч — этого хватит на то, чтобы на 70% обеспечить электроэнергией среднестатистический по размерам частный дом, укомплектованный всей необходимой техникой.

2019. Созданы прозрачные солнечные батареи из кремния

Прозрачные фотоэлементы могли бы совершить революцию в энергоэффективности зданий: ведь тогда окна и стеклянные стены небоскребов превратятся в солнечные батареи. Однако, к сожалению, основной материал солнечных батарей — кремний — не прозрачный. А альтернативные материалы — либо дороги, либо не эффективны. Команда исследователей под руководством Се Квон Юна из Южной Кореи придумала оригинальную идею: пробить в кремниевом фотоэлементе крошечные отверстия размером с человеческий волос. Дыры расположены в заданном порядке и невидимы человеческому глазу, зато фотоэлемент становится почти прозрачным. Конечно, КПД уменьшился в 2 раза — до 12%. Ну и ладно, ведь окно с КПД 12% лучше окна, которое вообще не вырабатывает энергию. А производственный процесс (по словам разработчиков) — довольно простой, так что дырявые солнечные панели будут стоить примерно как обычные.

2019. Создано покрытие для солнечных батарей, следящее за солнцем

Сейчас иногда маленькие наземные солнечные электростанции оборудуются поворотными системами (трекерами), которые отслеживают движение солнца в течение дня. Говорят, такой трекер увеличивает производство энергии на 30%. Но очевидно, что он также значительно усложняет и удорожает конструкцию, снижает надежность и долговечность СЭС, да и сам потребляет часть энергии. Ученные Калифорнийского университета, возможно, придумали более красивое решение. Они создали особый материал, который может отслеживать направление на солнце, как подсолнух. Он состоит из элементов размером менее одного миллиметра, которые расширяются и сжимаются при нагревании. Благодаря этому материал выгибается в сторону источника тепла.

2019. Солнечные батареи могут использовать снег для выработки дополнительной энергии

Зимой солнечные панели иногда заносит снегом, и приходится их очищать. Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе отчасти решили эту проблему, создав дополнительную панель Snow TENG, которая вырабатывает электричество от взаимодействия непосредственно с выпавшим снегом. Происходит это благодаря трибоэлектрическому эффекту, когда электрические заряды возникают в ходе трения одних заряженных частиц с другими. В случае с устройством Snow TENG, положительно заряженным объектом выступает снег, а отрицательным — нанесенный на поверхность панелей силикон, подсоединенный к электродам. Конечно, вырабатываемая энергия — небольшая, но возможно, ее хватит, чтобы растопить снег и очистить панель.

2019. Корейцы сделали фотоэлементы из перовскита на 80% эффективнее

В 2013 журнал Science в своем рейтинге топ-10 прорывов года отметил открытие возможности создания солнечных батарей из перовскита. Перовскит (титанат кальция) — это сравнительно редкий для поверхности Земли минерал (в отличии от кремния). Но он дешевый, его можно наносить на гибкую поверхность и он имеет трехмерную структуру, которая позволяет солнечной батарее эффективно работать даже на закате, в облачную погоду и в туман. Изначально КПД перовскитовых фотоэлементов была ниже кремниевых — 15%. Но вот ученые из южно-корейского университета UNIST поколдовали и создали комбинацию двойного перовскита (Cs2SnI6) и органической ячейки Гретцеля, которая продемонстрировала хорошие показатели переноса заряда, достигнув увеличения плотности фотоэлектрического тока на 79% по сравнению с обычным жидким электролитом.***

как устроена и работает солнечная панель

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

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

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

Содержание статьи:

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

Солнечные батареи: терминология

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

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

Максимум отдачи от солнечной панели можно будет получить, только зная, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как все это правильно подключается

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

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

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

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 50–55 °С. Но чем она выше, тем менее эффективно работает фотогальванический элемент.

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

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

Эффективность батарей гелиосистемы

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

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

Эффективность солнечных панелей зависит от:

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

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

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

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

Выводы и полезное видео по теме

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

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

Как устроены солнечные батареи смотрите в следующем видеоролике:

Сборка солнечной панели из фотоэлементов своими руками:

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

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

Источник sovet-ingenera.com

«Важнейшее изобретение человечества»: как устроены солнечные батареи

Краткая история

Первый шаг в долгой истории солнечной энергетики был сделан в 1839 году, когда французский физик Александр Эдмон Беккерель открыл фотоэлектрический эффект. Более ста лет спустя химик Кельвин Фуллер, физик Джеральд Пирсон и инженер Дэрил Чапин, работавшие в компании Bell Laboratories, построили первый кремниевый фотоэлемент.

Никто из изобретателей не думал об отказе от нефти или защите окружающей среды: Чапин пытался создать источники питания для телефонов, установленных в отдаленной местности, а Пирсон и Фуллер исследовали свойства полупроводников.

Как работают солнечные батареи?

Чтобы понять принцип работы фотоэлементов, необходимо обратиться к строению атома кремния. На его внешней электронной оболочке есть вакантные места для электронов, которые атом пытается заполнить, образуя с другими атомами кристаллическую решетку. Чистый кристаллический кремний не может проводить ток, поэтому в солнечных панелях его смешивают с фосфором, на внешней электронной оболочке которого есть избыточный электрон. Полученный материал известен как кремний n-типа.

Кремний n-типа располагается на внешней поверхности солнечной панели, в внутри его сменяет кремний p-типа. В его состав добавлены такие элементы, как галлий или бор, у которых на внешней электронной оболочке не хватает электрона. Когда фотоны солнечного света возбуждают избыточные электроны в n-кремнии, те стремятся заполнить вакантные места в p-кремнии. Движение заряженных частиц генерирует электричество.

Солнечные батареи сегодня

На протяжении большей части XX века фотоэлементы планировалось использовать для энергообеспечения космических аппаратов, поэтому их старались сделать как можно более легкими. В наши дни солнечные батареи массово используются на Земле, поэтому они должны быть прочными и долговечными. Для этого слой кремния накрывают прозрачным стеклом, пропускающим ультрафиолет.

Другой важнейшей характеристикой солнечных батарей стала их эффективность — то есть количество солнечного света, упавшего на квадратный метр фотопанели и преобразованного в электричество.

Около десяти лет назад КПД фотоэлементов колебался около 13%, однако к 2019 году он возрос до примерно 20%.

Как увеличить предел эффективности кремниевых панелей?

Физическая природа кремния ограничивает теоретически возможную эффективность солнечных панелей значением в 29%. Но есть способы преодолеть это ограничение. Например, недавно исследователи из MIT доказали, что максимальный КПД кремниевых фотоэлементов можно повысить до 35%, дополнив конструкцию тонкими слоями тетрамицена и оксинитрида гафния. Они позволяют одному фотону выбивать сразу два электрона.

Другая возможность — использование новых материалов, например, перовскитов. Всего за несколько лет эффективность перовскитных солнечных элементов выросла с 10% до 20%. К сожалению, вне лаборатории результаты пока не такие впечатляющие, поскольку перовскит быстро теряет свои свойства под воздействием воды и других внешних факторов.

Как интегрировать энергию Солнца в энергосистему?

Главный недостаток Солнца в качестве источника энергии — его непостоянство. Ночью и в пасмурную погоду фотоэлементы становятся бесполезными. Естественный выход — объединение солнечных панелей с батареями для хранения энергии. Кроме того, использование солнечной энергии можно оптимизировать с помощью систем умного дома. Они могут, например, воспользоваться жарким днем, чтобы включить кондиционеры и охладить дом к приходу хозяина. 

Солнечная энергия быстро вытесняет традиционные источники из энергосистем целых стран. Например, в Германии в минувшем июне Солнце стало главным источником электричества.

Принцип работы современных солнечных батарей

Сегодня энергия солнца используется повсюду, от мобильных устройств, до питания домов. Первым вариантом использования солнечной энергии были солнечные коллекторы, однако современные солнечные батареи справляются с этим намного лучше. Принцип работы солнечных батарей не так сложен, как может показаться. После прочтения этой статьи вы узнаете больше о том, как же работает солнечная батарея.

1. Виды солнечных батарей.

1.1. Принцип работы солнечной батареи

Для начала нужно уточнить, что современные солнечные батареи бывают 3-х видов:

• Монокристаллические
• Поликристаллические
• Тонкопленочные (аморфные)

Самыми распространенными видами солнечных батарей считаются монокристаллические и поликристаллические батареи. Они обладают достаточно высоким КПД, а так же имеют относительно низкую цену, однако у таких батарей есть недостаток — конструкции с их использованием не обладают гибкостью, которая необходима в некоторых случаях.

Именно в таких случаях используются тонкопленочные солнечные батареи. Толщина активного элемента аморфных солнечных батарей составляет от 0,5 до 1 мкм, тогда как толщина активного элемента в кристаллических батареях 300 мкм.

Светопоглащаемость аморфного кремния в 20 раз больше, чем у кристаллического, однако КПД аморфных солнечных батарей составляет приблизительно 10%, против 15% у поликристаллических, и 17% у монокристаллических.

Невозможно однозначно сказать какие солнечные батареи лучше. Например тонкопленочным солнечным батареям не нужен прямой солнечный свет, тогда как поли и монокристаллические должны находиться именно на улице под прямыми солнечными лучами.

1.2.  Из чего сделана солнечная батарея?

Солнечные батареи обычно изготавливаются из кремния. Однако чистый кремний практически никогда не используют при их производстве. На характеристики солнечных батарей влияют материалы, из которых изготовлены пластины. Для положительного заряда в качестве примеси к кремнию чаще всего используют бор, а для отрицательного – мышьяк.

Так как солнечные батареи работают зимой так же, как и летом – в пластины добавляют специальные примеси, такие как галлий, медь, арсенид, кадмий, теллурид, селен для того, чтобы сделать их менее чувствительными к перепадам температуры. Это делает элементы солнечной батареи зимой более надежными, и снижает риск их поломки.

2. Принцип действия солнечных батарей.

Многие из вас еще в школе проводили опыт, который описывает принцип работы солнечной батареи. Суть опыта в том, что на n-p переход транзистора со спиленной верхней крышкой падает свет, и если подключить вольтметр, то можно зафиксировать ток. Соответственно чем больше площадь n-p перехода, тем больше ток.

Так как атомы в p-слое полупроводника имеют лишние электроны, а в атомах n-слоя наоборот их недостает – то под воздействием лучей света электроны из p-слоя вбиваются и стремятся перейти в n-слой. В солнечной батарее между слоями находится диэлектрик, поэтому электроны проходят через нагрузку (аккумулятор), и только тогда достигают n-слоя.

3. 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%.

4. Как устроены солнечные батареи: Видео

принцип действия, как устроен прибор

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

Принцип действия

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

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

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

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

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

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

Виды преобразующих панелей

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

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

Эффективное расположение прибора

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

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

 

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

 

Введение в электросеть

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

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

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

Основы солнечного излучения | Министерство энергетики

Солнечное излучение , часто называемое солнечным ресурсом или просто солнечным светом, является общим термином для электромагнитного излучения, излучаемого солнцем. Солнечное излучение можно улавливать и превращать в полезные формы энергии, такие как тепло и электричество, с помощью различных технологий. Однако техническая осуществимость и экономическая эксплуатация этих технологий в конкретном месте зависит от доступного солнечного ресурса.

Основные принципы

Каждое место на Земле получает солнечный свет, по крайней мере, часть года.Количество солнечной радиации, достигающей любой точки на поверхности Земли, варьируется в зависимости от:

• Географического положения
• Времени дня
• Сезона
• Местного ландшафта
• Местной погоды.

Поскольку Земля круглая, солнце падает на поверхность под разными углами в диапазоне от 0 ° (чуть выше горизонта) до 90 ° (прямо над головой). Когда солнечные лучи вертикальны, поверхность Земли получает всю возможную энергию. Чем больше наклонены солнечные лучи, тем дольше они проходят через атмосферу, становясь более рассеянными и рассеянными.Поскольку Земля круглая, в холодных полярных регионах никогда не бывает высокого солнца, а из-за наклона оси вращения эти области вообще не получают солнца в течение части года.

Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите и в определенное время года находится ближе к Солнцу. Когда Солнце приближается к Земле, поверхность Земли получает немного больше солнечной энергии. Земля ближе к Солнцу, когда в южном полушарии лето, а в северном — зима.Однако наличие обширных океанов смягчает более жаркое лето и более холодную зиму, которые можно было бы ожидать в южном полушарии в результате этой разницы.

Наклон оси вращения Земли на 23,5 ° является более важным фактором при определении количества солнечного света, падающего на Землю в конкретном месте. Наклон приводит к увеличению продолжительности дней в северном полушарии от весеннего (весеннего) равноденствия до осеннего (осеннего) равноденствия и к увеличению продолжительности дней в южном полушарии в течение остальных 6 месяцев.Дни и ночи длятся ровно 12 часов в дни равноденствий, которые происходят каждый год примерно 23 марта и 22 сентября.

Такие страны, как Соединенные Штаты, которые расположены в средних широтах, получают больше солнечной энергии летом, а не только потому, что дни длиннее, но еще и потому, что солнце находится почти над головой. Солнечные лучи гораздо более наклонены в более короткие дни зимних месяцев. Такие города, как Денвер, штат Колорадо (около 40 ° широты), получают почти в три раза больше солнечной энергии в июне, чем в декабре.

Вращение Земли также отвечает за почасовые колебания солнечного света. Ранним утром и ближе к вечеру солнце садится низко. Его лучи проходят через атмосферу дальше, чем в полдень, когда солнце находится в самой высокой точке. В ясный день наибольшее количество солнечной энергии достигает солнечного коллектора около солнечного полудня.

Рассеянное и прямое солнечное излучение

Когда солнечный свет проходит через атмосферу, часть его поглощается, рассеивается и отражается:

• Молекулами воздуха
• Водяной пар
• Облака
• Пыль
• Загрязняющие вещества
• Лесные пожары
• Вулканы.

Это называется диффузное солнечное излучение . Солнечное излучение, которое достигает поверхности Земли, не рассеиваясь, называется прямым лучом солнечного излучения . Сумма рассеянной и прямой солнечной радиации называется глобальной солнечной радиацией . Атмосферные условия могут снизить прямое излучение луча на 10% в ясные сухие дни и на 100% в пасмурные дни.

Измерение

Ученые измеряют количество солнечного света, падающего на определенные места в разное время года.Затем они оценивают количество солнечного света, падающего на регионы на одной широте с аналогичным климатом. Измерения солнечной энергии обычно выражаются как общее излучение на горизонтальной поверхности или как общее излучение на поверхности, отслеживающей солнце.

Данные о радиации для солнечных электрических (фотоэлектрических) систем часто представлены в киловатт-часах на квадратный метр (кВтч / м ² ). Прямые оценки солнечной энергии также могут быть выражены в ваттах на квадратный метр (Вт / м ² ).

Данные о радиации для систем солнечного нагрева воды и отопления помещений обычно представлены в британских тепловых единицах на квадратный фут (БТЕ / фут ² ).

Распределение

Солнечных ресурсов в Соединенных Штатах достаточно для фотоэлектрических систем, поскольку они используют как прямой, так и рассеянный солнечный свет. Другие технологии могут быть более ограниченными. Однако количество энергии, генерируемой любой солнечной технологией на определенном участке, зависит от того, сколько солнечной энергии достигает его.Таким образом, солнечные технологии наиболее эффективно работают на юго-западе США, который получает наибольшее количество солнечной энергии.

Карты ресурсов солнечной энергии

Просмотр карт солнечных ресурсов как для фотоэлектрической, так и для концентрированной солнечно-тепловой энергии.

Дополнительная информация

Узнайте больше о том, как работает солнечная энергия, а также о солнечных батареях и программах концентрации солнечно-тепловой энергии.

Home »Солнечные информационные ресурсы» Основы солнечного излучения

Как работают солнечные панели? Объяснение науки о Солнце.

Все мы знаем, что солнечные фотоэлектрические (PV) панели преобразуют солнечный свет в полезное электричество, но мало кто знает настоящую науку, лежащую в основе этого процесса. На этой неделе в блоге мы поговорим о мельчайших подробностях науки о солнечной энергии. Это может показаться сложным, но все сводится к фотоэлектрическому эффекту; способность материи испускать электроны, когда купается в свете.

Прежде чем мы перейдем к молекулярному уровню, давайте рассмотрим общий процесс производства электроэнергии:

Основные этапы производства и передачи солнечной энергии

1. Солнечный свет попадает на солнечные панели и создает электрическое поле.
2. Произведенное электричество течет к краю панели и попадает в проводящий провод.
3. Токопроводящий провод подводит электричество к инвертору, где оно преобразуется из электричества постоянного тока в переменный ток, который используется для питания зданий.
4. Другой провод передает электроэнергию переменного тока от инвертора к электрической панели на участке (также называемой коробкой выключателя), которая распределяет электричество по всему зданию по мере необходимости.
5. Любая электроэнергия, которая не требуется при генерации, проходит через счетчик коммунальных услуг в коммунальную электрическую сеть.Поскольку электричество проходит через счетчик, он заставляет счетчик работать в обратном направлении, кредитуя вашу собственность за избыточную выработку.

Теперь, когда у нас есть базовое представление о генерации и потоке солнечной электроэнергии, давайте глубже погрузимся в науку, лежащую в основе солнечных фотоэлектрических панелей.

Наука о солнечных фотоэлементах

Солнечные фотоэлектрические панели состоят из множества небольших фотоэлектрических элементов — это означает, что они могут преобразовывать солнечный свет в электричество. Эти элементы сделаны из полупроводниковых материалов, чаще всего из кремния, материала, который может проводить электричество, сохраняя при этом электрический дисбаланс, необходимый для создания электрического поля.

Когда солнечный свет попадает на полупроводник в фотоэлементе (шаг 1 в нашем высокоуровневом обзоре), энергия света в форме фотонов поглощается, выбивая ряд электронов, которые затем свободно дрейфуют в элементе. Солнечный элемент специально разработан с положительно и отрицательно заряженными полупроводниками, зажатыми вместе, чтобы создать электрическое поле (см. Изображение слева для визуализации). Это электрическое поле заставляет дрейфующие электроны течь в определенном направлении — к проводящим металлическим пластинам, выстилающим ячейку.Этот поток известен как энергетический ток, и сила тока определяет, сколько электричества может произвести каждая ячейка. Как только незакрепленные электроны попадают в металлические пластины, ток направляется в провода, позволяя электронам течь, как в любом другом источнике генерации электричества (шаг 2 в нашем процессе).

Поскольку солнечная панель генерирует электрический ток, энергия течет по проводам к инвертору (см. Шаг 3 выше). В то время как солнечные панели вырабатывают электричество постоянного тока (DC), большинству потребителей электроэнергии требуется электричество переменного тока (AC) для питания своих зданий.Функция инвертора состоит в том, чтобы переключать электричество с постоянного тока на переменный, делая его доступным для повседневного использования.

После преобразования электричества в состояние, пригодное для использования (мощность переменного тока), оно отправляется от инвертора на электрическую панель (также называемую коробкой выключателя) [шаг 4] и распределяется по всему зданию по мере необходимости. Электричество теперь доступно для питания фонарей, бытовых приборов и других электрических устройств с помощью солнечной энергии.

Любая электроэнергия, которая не потребляется через блок выключателя, направляется в коммунальную сеть через счетчик коммунальных услуг (наш последний шаг, как описано выше).Счетчик коммунальных услуг измеряет поток электроэнергии из сети в вашу собственность и наоборот. Когда ваша солнечная энергетическая система производит больше электроэнергии, чем вы потребляете на месте, этот счетчик фактически работает в обратном направлении, и вам засчитывают избыточную электроэнергию, произведенную в процессе чистого измерения. Когда вы используете больше электроэнергии, чем вырабатывает ваша солнечная батарея, вы получаете дополнительную электроэнергию из сети через этот счетчик, заставляя ее работать нормально. Если вы полностью не отключились от сети через решение для хранения, вам нужно будет вытащить часть энергии из сети, особенно ночью, когда ваша солнечная батарея не производит.Однако большая часть этой сетевой энергии будет компенсирована избыточной солнечной энергией, которую вы производите в течение дня и в периоды меньшего использования.

Хотя детали, лежащие в основе солнечной энергии, носят в высшей степени научный характер, не требуется ученого, чтобы рассказать о преимуществах, которые солнечная установка может принести бизнесу или владельцу недвижимости. Опытный разработчик солнечной энергии расскажет вам об этих преимуществах и поможет понять, подходит ли солнечное решение для вашего бизнеса.

Solar 101: Как работает солнечная энергия (шаг за шагом)

Вы когда-нибудь смотрели на солнечные панели на крышах и задавались вопросом, что именно они делают и как? Что ж, эти высокотехнологичные пространства мерцающего стекла на самом деле являются всего лишь одним компонентом в сложной сети, которая использует возобновляемую энергию солнца для доставки электричества в дом.

Давайте посмотрим, как работает солнечная энергия, шаг за шагом.

Как солнечные панели вырабатывают электричество?

ШАГ 1: Панели активируются солнечным светом.

Солнечная система стоечно-панельная

Каждая отдельная панель состоит из слоя кремниевых ячеек, металлического каркаса, стеклянного корпуса, окруженного специальной пленкой, и проводки. Для максимального эффекта панели группируются в «массивы» (упорядоченная серия) и размещаются на крышах или на больших открытых площадках.Солнечные элементы, которые также называют фотоэлектрическими элементами , поглощают солнечный свет в дневное время.

ШАГ 2: Ячейки вырабатывают электрический ток.

Слиток кремния и пластина

Внутри каждого солнечного элемента находится тонкая полупроводниковая пластина, сделанная из двух слоев кремния. Один слой заряжен положительно, а другой — отрицательно, образуя электрическое поле. Когда световая энергия солнца попадает на фотоэлектрический солнечный элемент, он возбуждает этот элемент и заставляет электроны «отрываться» от атомов внутри полупроводниковой пластины.Эти свободные электроны приводятся в движение электрическим полем, окружающим пластину, и это движение создает электрический ток.

ШАГ 3: Преобразуется электрическая энергия.

Солнечный инвертор. Изображение предоставлено SMA Solar Technology AG

Теперь у вас есть солнечные панели, эффективно преобразующие солнечный свет в электричество, но вырабатываемое электричество называется электричеством постоянного (или постоянного) тока, а это не тот тип электричества, который питает большинство домов, а именно электричество переменного тока (или переменного тока).К счастью, электричество постоянного тока можно легко преобразовать в электричество переменного тока с помощью устройства, называемого инвертором. В современных солнечных системах эти инверторы могут быть сконфигурированы как один инвертор для всей системы или как отдельные микроинверторы, прикрепленные за панелями.

ШАГ 4: Преобразованная электроэнергия питает ваш дом.

Солнечный микроинвертор

После того, как солнечная энергия преобразована из постоянного тока в переменный, она проходит через вашу электрическую панель и распределяется по дому для питания ваших приборов.Он работает точно так же, как электроэнергия, вырабатываемая через сеть вашей электроэнергетической компанией, поэтому ничего в доме не нужно менять. Поскольку вы по-прежнему остаетесь подключенными к своей традиционной энергетической компании, вы можете автоматически потреблять дополнительную электроэнергию, чтобы восполнить любую нехватку солнечной энергии из сети.

ШАГ 5: Счетчик нетто измеряет использование.

Умный электросчетчик

В пасмурные дни и в ночное время ваша солнечная черепица или панели могут не улавливать достаточно солнечного света для использования в качестве источника энергии; и наоборот, в середине дня, когда никого нет дома, они могут собирать излишки энергии — больше, чем вам нужно для работы вашего дома.Вот почему счетчик используется для измерения расхода электроэнергии в обоих направлениях — в ваш дом и из него. Ваша коммунальная компания часто предоставляет кредиты за любую избыточную мощность, которую вы отправляете обратно в сеть. Это известно как чистый счетчик .

Заключение

Теперь, когда вы знаете основы солнечной энергии, вы можете поразиться тому, как современные фотоэлектрические технологии могут улавливать огромную энергию солнца для управления домом. Возможно, это не ракетостроение, но это определенно проявление человеческой изобретательности в лучшем виде.

Заинтересованы в солнечной кровле для вашего дома? Изучите наши солнечные продукты или найдите сертифицированного установщика солнечных батарей в вашем регионе.

Как работают солнечные панели? Science of Solar Generation

Время чтения: 5 минут

Поскольку стоимость солнечной энергии резко упала в последние годы наряду с значительным повышением технической эффективности и качества производства, многие домовладельцы в США начинают рассматривать солнечную энергию как жизнеспособное альтернативное энергетическое решение.И поскольку солнечная энергия выходит на основные энергетические рынки, большой вопрос : «Как работают солнечные панели?» В этой статье мы подробно разберем, как солнечные панели производят энергию для вашего дома и насколько прагматичен переход на солнечную энергию.

Ключевые выводы: как работают солнечные панели?

---

• Солнечные элементы обычно изготавливаются из кремния, который является полупроводником и может генерировать электричество.
• Этот процесс известен как «фотоэлектрический эффект».
• Узнайте, как солнечные панели могут работать на вас, с индивидуальными ценами на EnergySage Marketplace

Как работают солнечные панели? Пошаговый обзор процесса солнечной генерации

В двух словах, солнечная панель работает и вырабатывает электричество, когда частицы солнечного света выбивают электроны из атомов, приводя в движение поток электронов. Этот поток электронов представляет собой электричество, и солнечные панели предназначены для улавливания этого потока, что делает его пригодным для использования электрическим током.

Производство солнечной энергии начинается, когда солнечные панели поглощают солнечный свет с помощью фотоэлектрических элементов, генерируя эту энергию постоянного тока (DC), а затем преобразуя ее в полезную энергию переменного тока (AC) с помощью инверторной технологии. Затем энергия переменного тока проходит через электрическую панель дома и распределяется соответствующим образом. Основные этапы работы солнечных панелей в вашем доме:

1. Фотоэлектрические элементы поглощают солнечную энергию и преобразуют ее в электричество постоянного тока
2. Солнечный инвертор преобразует электричество постоянного тока от ваших солнечных модулей в электричество переменного тока, которое используется в большинстве домов. приборы
3. Электроэнергия течет через ваш дом, питая электронные устройства
4. Избыточное электричество, произведенное солнечными панелями, подается в электрическую сеть

Как солнечные панели вырабатывают электричество?

Стандартная солнечная панель (также известная как солнечный модуль) состоит из слоя кремниевых элементов, металлического каркаса, стеклянного кожуха и различных проводов, позволяющих току течь от кремниевых элементов.Кремний (атомный номер 14 в периодической таблице) — неметалл с проводящими свойствами, которые позволяют ему поглощать и преобразовывать солнечный свет в электричество. Когда свет взаимодействует с кремниевой ячейкой, он приводит в движение электроны, что вызывает прохождение электрического тока. Это известно как «фотоэлектрический эффект , » и описывает общие функциональные возможности технологии солнечных панелей.

Наука о производстве электричества с помощью солнечных батарей сводится к фотоэлектрическому эффекту.Впервые обнаруженный в 1839 году Эдмоном Беккерелем, фотоэлектрический эффект можно в целом рассматривать как характеристику определенных материалов (известных как полупроводники , ), которая позволяет им генерировать электрический ток при воздействии солнечного света.

Фотогальванический процесс состоит из следующих упрощенных этапов:

1. Кремниевый фотоэлектрический солнечный элемент поглощает солнечное излучение
2. Когда солнечные лучи взаимодействуют с кремниевым элементом, электроны начинают двигаться, создавая поток электрического тока
3. Захват проводов и подать это электричество постоянного тока (DC) в солнечный инвертор, чтобы преобразовать его в электричество переменного тока (AC)

Наука о солнечных панелях, в глубине

Кремниевые солнечные элементы, благодаря фотоэлектрическому эффекту, поглощают солнечный свет и генерируют ток электричество.Этот процесс варьируется в зависимости от типа солнечной технологии, но есть несколько шагов, общих для всех солнечных фотоэлектрических элементов.

Сначала свет попадает на фотоэлектрический элемент и поглощается полупроводниковым материалом, из которого он сделан (обычно кремнием). Эта входящая световая энергия заставляет электроны в кремнии высвобождаться, что в конечном итоге становится солнечным электричеством, которое вы можете использовать в своем доме.

В фотоэлементах используются два слоя кремния, каждый из которых специально обрабатывается или «легируется» для создания электрического поля, что означает, что одна сторона имеет чистый положительный заряд, а другая — отрицательный.Это электрическое поле заставляет свободные электроны течь в одном направлении через солнечный элемент, генерируя электрический ток. Элементы фосфор и бор обычно используются для создания этих положительных и отрицательных сторон фотоэлектрического элемента.

Когда электрический ток генерируется свободными электронами, металлические пластины по бокам каждого солнечного элемента собирают эти электроны и переносят их на провода. На этом этапе электроны могут течь в виде электричества через проводку к солнечному инвертору, а затем по всему дому.

А как насчет солнечных технологий, альтернативных фотоэлектрическим?

В этой статье мы говорили о фотоэлектрических солнечных батареях , или PV, потому что это наиболее распространенный вид солнечной энергии, особенно для домов и предприятий. Но есть еще кое-что, и они работают иначе, чем традиционные фотоэлектрические солнечные панели. Двумя наиболее распространенными альтернативными вариантами солнечной энергии, которые работают не так, как фотоэлектрические панели, являются солнечная горячая вода и концентрированная солнечная энергия .

Солнечная система горячего водоснабжения

Солнечная система горячего водоснабжения улавливает тепловую энергию солнца и использует ее для нагрева воды в вашем доме. Эти системы состоят из нескольких основных компонентов: коллекторов, накопительного бака, теплообменника, системы управления и резервного нагревателя.

В солнечной системе горячего водоснабжения электроны не движутся. Вместо этого панели преобразуют солнечный свет в тепло. Панели солнечной тепловой системы известны как «коллекторы» и обычно устанавливаются на крыше.Они собирают энергию совсем иначе, чем традиционные фотоэлектрические панели — вместо выработки электричества они вырабатывают тепло. Солнечный свет проходит через стеклянное покрытие коллектора и попадает на компонент, называемый пластиной-поглотителем, которая имеет покрытие, предназначенное для улавливания солнечной энергии и преобразования ее в тепло. Вырабатываемое тепло передается «теплоносителю» (антифризу или питьевой воде), содержащемуся в небольших трубках в пластине.

Концентрированная солнечная энергия

Концентрированная солнечная энергия (также известная как концентрация солнечной энергии или концентрация солнечно-тепловой энергии) работает аналогично солнечной горячей воде, поскольку она преобразует солнечный свет в тепло.Технология CSP производит электричество, концентрируя солнечную тепловую энергию с помощью зеркал. При установке CSP зеркала отражают солнце в точку фокусировки. В этой фокусной точке находится поглотитель или приемник , который собирает и накапливает тепловую энергию.

CSP чаще всего используется в коммунальных установках для обеспечения питания электросети.

Как работает подключение к сети с солнечными батареями?

Хотя производство электроэнергии с помощью солнечных панелей может иметь смысл для большинства людей, все еще существует большая путаница в отношении того, как сеть влияет на домашний солнечный процесс.Любой дом, подключенный к электросети, будет иметь так называемый счетчик коммунальных услуг, который ваш поставщик энергии использует для измерения и подачи электроэнергии в ваш дом. Когда вы устанавливаете солнечные панели на крыше или на наземном креплении на своем участке, они в конечном итоге подключаются к счетчику коммунальных услуг в вашем доме. С помощью этого измерителя можно получить доступ и измерить производство вашей солнечной системы.

Большинство домовладельцев в США имеют доступ к сетевым счетчикам, что является основным стимулом для солнечной энергии, который значительно улучшает экономику солнечной энергии.Если у вас есть нетто-счетчики, вы можете отправлять электроэнергию в сеть, когда ваша солнечная система перегружена (например, днем ​​в солнечные летние месяцы) в обмен на кредиты на счет за электроэнергию. Затем, в часы низкого производства электроэнергии (например, в ночное время или в пасмурные дни), вы можете использовать свои кредиты для получения дополнительной энергии из сети и удовлетворения ваших потребностей в электроэнергии. В некотором смысле, нетто-учет предлагает бесплатное решение для хранения для владельцев недвижимости, которые используют солнечную энергию, что делает солнечную энергию универсальным энергетическим решением.

Дополнительные важные детали к солнечным панелям

Помимо кремниевых солнечных элементов, типичный солнечный модуль включает в себя стеклянный кожух, который обеспечивает долговечность и защиту кремниевых фотоэлементов. Под стеклянной внешней стороной панели есть слой для изоляции и защитный задний лист, который защищает от рассеивания тепла и влажности внутри панели. Эта изоляция важна, потому что повышение температуры приведет к снижению эффективности, что приведет к снижению производительности солнечных панелей.

Солнечные панели имеют антибликовое покрытие, которое увеличивает поглощение солнечного света и позволяет кремниевым элементам получать максимальное воздействие солнечного света. Кремниевые солнечные элементы обычно производятся в двух формах ячеек: монокристаллических или поликристаллических. Монокристаллические ячейки состоят из одного кристалла кремния, тогда как поликристаллические ячейки состоят из фрагментов или осколков кремния. Моно форматы предоставляют больше места для движения электронов и, таким образом, предлагают более эффективную солнечную технологию, чем поликристаллические, хотя обычно они более дорогие.

Гарантия значительной экономии с помощью солнечных батарей

Если вы хотите начать экономить деньги на электричестве, первое, с чего следует начать, — это сравнить расценки на системы солнечных панелей. В этом вам может помочь EnergySage: когда вы регистрируете бесплатную учетную запись на EnergySage Marketplace, мы предоставляем вам индивидуальные расценки от установщиков в вашем регионе. Так чего же вы ждете — начните свое собственное путешествие по чистой энергии с EnergySage уже сегодня!

low cvr content

core solar content

Как работают солнечные панели

Солнечная энергия работает, улавливая солнечную энергию и тихо и эффективно превращая ее в электричество для вашего дома или бизнеса.

Наше солнце — это естественный ядерный реактор. Он испускает крошечные пакеты энергии, называемые фотонами, которые преодолевают 149,6 миллиона километров от Солнца до Земли примерно за 8,5 минут. Каждый час на нашу планету воздействует достаточно фотонов, чтобы произвести достаточно солнечной энергии, чтобы теоретически удовлетворить глобальные потребности в энергии в течение всего года.

Solar не вырабатывает электроэнергию постоянно, но она вырабатывает электроэнергию, когда она больше всего нужна. Это включает в себя дневное время и в жаркие солнечные периоды, когда спрос на электроэнергию наиболее высок.

Австралия — одна из самых солнечных стран в мире и идеальное место для работы солнца, особенно в эти часы пик.

Как работают солнечные панели?

Когда фотоны попадают в солнечный элемент, они выбивают электроны из их атомов. Если проводники присоединены к положительной и отрицательной сторонам ячейки, она образует электрическую цепь. Когда электроны проходят через такую ​​цепь, они вырабатывают электричество. Несколько ячеек составляют солнечную панель, а несколько панелей (модулей) могут быть соединены вместе, чтобы сформировать солнечную батарею.Чем больше панелей вы можете развернуть, тем больше энергии вы можете ожидать.

Из чего сделаны солнечные панели?

Фотоэлектрические (PV) солнечные панели состоят из множества солнечных элементов в различных типах стеклянной упаковки. Солнечные элементы сделаны из кремния, как и полупроводники. Они состоят из положительного и отрицательного слоев, которые вместе создают электрическое поле, как в батарее. Солнечные панели SunPower также покрыты проводящими клеями аэрокосмического класса и запатентованными герметиками для защиты этих элементов и сведения к минимуму разрушения под воздействием окружающей среды.

Как солнечные панели вырабатывают электричество?

PV солнечные панели вырабатывают электроэнергию постоянного тока. При использовании электричества постоянного тока электроны движутся по цепи в одном направлении. В этом примере показана батарея, питающая лампочку. Электроны движутся с отрицательной стороны батареи через лампу и возвращаются к положительной стороне батареи.

При использовании электричества переменного тока (переменного тока) электроны толкаются и притягиваются, периодически меняя направление, подобно цилиндру двигателя автомобиля.Генераторы создают электричество переменного тока, когда катушка проволоки вращается рядом с магнитом. Многие различные источники энергии могут «повернуть ручку» этого генератора, например, газ или дизельное топливо, гидроэлектроэнергия, атомная энергия, уголь, ветер или солнце.

Электроэнергия переменного тока

используется в электросетях Австралии, которые работают по всей стране и питают тысячи домов. Однако солнечные панели создают электричество постоянного тока. Как получить электроэнергию постоянного тока в сеть переменного тока? Используем инвертор.

Что делает солнечный инвертор?

Солнечный инвертор получает электричество постоянного тока от солнечной батареи и использует его для создания электричества переменного тока.Инверторы подобны мозгу системы. Наряду с преобразованием постоянного тока в переменный, они также обеспечивают защиту от замыканий на землю и статистику системы, включая напряжение и ток в цепях переменного и постоянного тока, выработку энергии и отслеживание точки максимальной мощности.

Центральные инверторы доминируют в солнечной промышленности с самого начала. Внедрение микроинверторов — один из самых больших технологических сдвигов в фотоэлектрической индустрии. Микроинверторы оптимизируются для каждой отдельной солнечной панели, а не для всей солнечной системы, как это делают центральные инверторы.Это позволяет каждой солнечной панели работать с максимальным потенциалом. Когда используется центральный инвертор, проблема с одной солнечной панелью (возможно, она находится в тени или испачкалась) может снизить производительность всей солнечной батареи. Другой вариант, который следует рассмотреть, — использовать микроинверторы на каждой из панелей. Если одна солнечная панель неисправна, остальная часть солнечной батареи по-прежнему работает эффективно.

Как работает система солнечных батарей?

Вот пример того, как работает домашняя солнечная энергетическая установка.Сначала солнечный свет попадает на солнечную батарею на крыше. Панели преобразуют энергию в постоянный ток, который течет к инвертору. Инвертор преобразует электричество из постоянного тока в переменный, который затем можно использовать для питания вашего дома. Это красиво, просто и чисто, и с каждым днем ​​становится все более эффективным и доступным.

Однако что произойдет, если вы не дома, чтобы использовать электроэнергию, которую ваши солнечные батареи вырабатывают каждый солнечный день? А что происходит ночью, когда ваша солнечная система не вырабатывает электроэнергию в реальном времени? Не волнуйтесь, вы также можете воспользоваться системой, называемой «льготными тарифами», в зависимости от вашего штата и продавца электроэнергии.

Типичная фотоэлектрическая система, подключенная к сети, в часы пик в дневное время часто производит больше энергии, чем нужно одному потребителю, так что избыточная энергия возвращается в сеть для использования в другом месте. Заказчик получает кредит за произведенную избыточную энергию и может использовать этот кредит для получения энергии из обычной сети в ночное время или в пасмурные дни. «Льготный тариф» — это ставка, по которой вы фактически «продаете» свою солнечную энергию обратно в сеть.

Установив солнечную батарею, вы приняли простое решение сэкономить деньги и помочь сохранить окружающую среду, переключившись на чистые возобновляемые источники энергии.Узнайте больше об экономии солнечной энергии здесь.

Как работают солнечные панели?

Куда бы вы ни посмотрели, вы видите все больше и больше солнечных батарей. Большинство людей уже знают, что солнечные панели генерируют электричество и что их можно устанавливать в домах и на предприятиях, чтобы сэкономить деньги на счетах за электричество.

Но если вы любопытный тип и задаетесь вопросом: «Как работают солнечные панели?», Продолжайте читать, поскольку в этом блоге мы раскроем некоторые тайны, связанные с солнечной энергией.

Как работают солнечные панели: с начала

Во-первых, давайте посмотрим на солнце. Это гигантский ядерный реактор в 93 миллионах миль от нас, который разбрасывает энергию во всех направлениях в виде крошечных пакетов, называемых фотонами.

Достаточное количество этих фотонов достигает поверхности Земли каждый час, чтобы обеспечить электричеством больше, чем мы потребляем во всем мире за год.

Хитрость заключается в том, чтобы использовать эту энергию полезным способом — именно это и делают солнечные панели.

Как солнечные панели преобразуют солнечный свет в электричество?

Солнечная панель — это совокупность множества фотоэлектрических (PV) элементов, которые покрыты защитным стеклом и удерживаются вместе с помощью металлического каркаса. Вот почему официальное название солнечной панели — «фотоэлектрический модуль». Эти фотоэлементы изготовлены из сверхтонкого полупроводникового материала, обычно кремния.

Солнечные панели имеют много слоев. Слой фотоэлементов — это место, где вырабатывается электричество. Другие слои, такие как стекло и слои герметика, предназначены для защиты фотоэлементов, чтобы модули могли должным образом производить электричество.Источник изображения: Aurinka Photovoltaic Group

Каждая фотоэлектрическая ячейка имеет отрицательный слой и положительный слой. Отрицательный слой имеет дополнительные электроны, а положительный слой имеет место для этих электронов. Электричество перемещает электроны, поэтому для того, чтобы солнечная панель вырабатывала электричество, нам просто нужна энергия, чтобы оттолкнуть эти электроны, чтобы они перетекли из отрицательного слоя в положительный слой.

Подсказка солнца. Фотоны солнца, которые в течение всего дня падают на поверхность нашей планеты, являются ключом к ответу на вопрос о том, как работают солнечные панели.

Энергия этих фотонов выбивает электроны на отрицательной стороне фотоэлемента и заставляет их двигаться, что означает, что теперь у нас течет электричество. Это называется фотоэлектрическим эффектом.

Когда солнечный свет попадает на солнечный элемент, электроны в нем начинают двигаться по цепи. Вот как солнечные элементы могут производить электричество для питания наших домов!

Но это только начало истории понимания того, как работают солнечные панели, потому что этим электронам нужен путь, по которому они должны идти, а электричество должно быть в полезной форме.Итак, как это происходит?

Путь, который мы создаем для электронов, называется цепью. Когда они покидают отрицательный слой фотоэлемента, мы хотим, чтобы они проходили через наши нагрузки (например, наши лампы и приборы), чтобы электроны могли отдавать энергию этим нагрузкам, когда они продвигаются к положительному слою фотоэлемента.

Узнайте, сколько стоят солнечные панели и сколько они могут вам сэкономить

Поток электричества важен

Солнечные панели вырабатывают электричество постоянного тока (DC), но в наших домах вырабатывается электричество переменного тока (AC).Чтобы решить эту проблему, мы добавляем в нашу схему инвертор. Затем инвертор преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока.

Инвертор является ключевым фактором в определении того, как работают солнечные панели, потому что без инвертора в нашей фотоэлектрической системе мы не сможем много сделать с энергией, вырабатываемой солнечными панелями.

Инверторы

бывают разных форм и размеров, и тот, который вы должны использовать, зависит от нескольких факторов, в том числе:

• Стоимость: Микроинверторы обеспечивают большую производительность, но обычно дороже
• Будет ли затенена часть солнечной батареи: Любое затенение приводит к значительному падению выходной мощности, если используется строковый инвертор

Два основных типа инверторов — это микроинверторы и струнные инверторы.

Микроинверторы

Микроинверторы

— это небольшие устройства, которые можно установить прямо под солнечной панелью. Микроинверторы предназначены для обработки электроэнергии от одной (а иногда и двух) солнечных панелей, преобразуя постоянный ток в переменный прямо на месте. Некоторые производители даже делают солнечные панели с интегрированными в конструкцию микроинверторами и называют их «модулями переменного тока».

Инверторы струн

Инверторы большего размера, также известные как центральные инверторы, предназначены для преобразования мощности постоянного тока многих фотоэлектрических модулей.Они бывают размером от 3 киловатт, которые могут работать с 10–12 солнечными панелями, или до 5 мегаватт, которые могут преобразовывать энергию от 20 000 солнечных панелей.

С этими типами струнных солнечных инверторов вы должны соединить солнечные панели вместе последовательно «цепочками» и подавать постоянное напряжение на инвертор. Затем инвертор понижает его до переменного напряжения, подходящего для дома или бизнеса, где устанавливается система.

Узнайте, какой тип инвертора сэкономит вам больше всего денег при установке солнечной батареи

Что такое солнечная эффективность и что это на самом деле означает?

Рейтинг эффективности измеряет процент солнечного света, попадающего на солнечный элемент, который преобразуется в полезную электроэнергию.Чем выше эффективность, тем меньшую площадь поверхности потребуется солнечным панелям для удовлетворения ваших потребностей в энергии, но тем выше будет цена.

Некоторые люди связывают более высокий уровень эффективности с более качественными панелями, но это не всегда так. Высокая эффективность означает, что ваша солнечная фотоэлектрическая система будет занимать меньше места на крыше. Поэтому те, кто живет в районах с высокой плотностью населения и имеет очень ограниченное пространство для солнечной энергии, как правило, больше озабочены уровнем эффективности.

Как работают солнечные панели: объединяем все вместе

Чтобы завершить рассказ о том, как солнечные панели работают в стандартной сетевой системе, электричество переменного тока от инвертора подается в дом или коммерческое здание.Эта мощность переменного тока управляет электрическими нагрузками, такими как освещение, бытовая техника, компьютеры, кондиционеры и оборудование.

При чистом измерении, если солнечные панели вырабатывают больше энергии, чем потребляют эти нагрузки, то избыточная энергия подается в коммунальную компанию. Эта избыточная мощность отслеживается электросчетчиком, и коммунальная компания предоставит вам кредит. Если нагрузкам требуется больше энергии, чем вырабатывают солнечные панели, тогда дополнительная необходимая мощность поступает от коммунальной компании, и вы используете накопленные кредиты.

В конце месяца электрическая компания выплатит кредиты за предоставленную вами электроэнергию и оплатит использованную электроэнергию.

Подробнее о том, как работает чистый счетчик, можно прочитать здесь.

Теперь, когда у вас есть ответ на вопрос «Как работают солнечные панели?», Вы можете найти местную солнечную компанию, которая установит их для вас!

Введите свой почтовый индекс и стоимость электроэнергии, чтобы рассчитать размер солнечной системы, необходимый для питания вашего дома

Как работают солнечные панели? Все, что вам нужно знать

Содержание

Как работают солнечные панели?

Какие компоненты составляют солнечную систему?

Как изготавливаются солнечные панели?

Как устроены солнечные системы?

Узнайте больше об основах солнечной энергии, подписавшись на наш блог.

От ископаемого топлива до гидроэнергии — большая часть энергии начинается с солнца. Солнечные панели получают энергию непосредственно из этого невероятного ресурса, преобразовывая фотоны в электричество.

Солнечные панели могут служить источником питания для самых разных энергетических приложений. Солнечная энергия может обеспечивать энергией удаленную кабину и поддерживать свет на Международной космической станции, но все мы знаем, что солнечная энергия предназначена не только для обеспечения удаленных потребностей в энергии.

Поскольку солнечные панели стали дешевле, они стали конкурентоспособным вариантом энергии для домов и предприятий.Помимо экономии энергии, переход на солнечную энергию — один из лучших способов снизить потребление энергии потребителями. Солнечные батареи обеспечивают значительные экологические преимущества, потенциально устраняя зависимость от ископаемых видов топлива, выделяющих углерод, и улучшая качество воздуха.

По этим причинам миллионы домов и предприятий «перешли на солнечную энергию». Вот лишь несколько интересных примеров:

• В 2016 году в доме в Род-Айленде была установлена ​​система мощностью 9,5 кВтч. Этот массив экономит домовладельцам 3 845 долларов в год и окупится к 2022 году.
  
• Санитарный округ округа Лейк в Калифорнии в 2008 году установил около 9 500 солнечных панелей для питания трех санитарных сооружений. Проект направлен на то, чтобы сэкономить налогоплательщикам 5 миллионов долларов в течение 20-летнего срока службы системы, и обеспечивает достаточную мощность для снижения нагрузки электросети от электростанции на 90 процентов.
  
• Vintage Wine Estates в калифорнийской долине Напа установили солнечную систему мощностью 945 кВтч, которая обеспечит экономию энергии на 10 миллионов долларов в течение 30 лет.

Как работают солнечные панели?

Вот краткое изложение того, что происходит при подключении солнечной батареи к розетке в фотоэлектрической системе:

1. Фотоэлементы поглощают фотоны от солнца и преобразуют их в электричество постоянного тока (DC)
   
2. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный (AC) для электроприборов
   
3. Переменный ток проходит по проводам в распределительную коробку для распределения по всему зданию
   
4. Любая неиспользованная электроэнергия возвращается в коммунальную сеть или в накопитель солнечной энергии

Понимание солнечной энергии

Солнечная энергия — это лучистый свет и тепло, исходящие от солнца.Его собирают множеством способов, таких как фотосинтез растений и солнечное отопление.

Солнечная энергия для производства электроэнергии зависит от субатомных частиц, называемых фотонами. Эти частицы начинают свое путешествие в центре Солнца, проходя через различные слои, прежде чем устремиться в космос. Путешествие от центра Солнца к поверхности может занять от 100 000 до 50 миллионов лет.

После того, как фотоны покидают Солнце, им требуется немногим более 8 минут, чтобы достичь Земли, где они сталкиваются с солнечными панелями и вызывают фотоэлектрический эффект.

Фотоэлектрический эффект (как солнечные панели вырабатывают электричество)

Секретный соус солнечной панели заключается в ее способности преобразовывать фотоны в электроны. Короче говоря, солнечная панель преобразует фотоны в постоянный ток, который затем преобразуется в переменный ток для использования в домашних и деловых приложениях.

Солнечные элементы обычно изготавливаются из кремния, полупроводника, способного производить электричество. Когда солнечный свет попадает на панель, фотоны взаимодействуют с атомами кремния, высвобождая электроны. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом.

Солнечный элемент изготавливается из положительного и отрицательного кремниевых листов, соединенных вместе. Верхний слой кремния наполнен фосфором для отрицательного заряда, а нижний слой, наполненный бором, поддерживает положительный заряд. Результирующее поле направляет электроны к проводящему металлу и из панели.

Подключение к сети

Как только фотоэлектрический процесс производит ток, электричество должно куда-то течь. Поскольку ток, производимый солнечной панелью, является постоянным, его необходимо преобразовать в переменный, прежде чем его можно будет использовать в большинстве ситуаций.После преобразования в переменный ток энергия солнечной энергии может использоваться разными способами.

Самый распространенный метод — это вход в систему с привязкой к сетке. Подключенная к сети система потребляет значительную часть своей потребности в энергии от солнечных батарей в течение дня. В зависимости от размера системы может производиться больше энергии, чем требуется месту, поэтому излишки электроэнергии отправляются обратно в сеть. Когда солнце садится, потребитель получает дополнительную энергию от электросети.

Хотя сетевые системы не являются полностью самодостаточными, они представляют собой эффективный способ снизить счета за электроэнергию и принести пользу окружающей среде.

Чистый счетчик

Основным преимуществом сетевой системы является возможность продавать излишки солнечной энергии обратно коммунальному предприятию посредством процесса, называемого чистым счетчиком. В пасмурные дни и ночью солнечная система может не производить достаточно энергии для удовлетворения спроса. Обратное верно для очень солнечных дней: когда потребление энергии низкое, но производство высокое, панели будут собирать излишки энергии, обычно более чем достаточно для удовлетворения энергетических потребностей клиента.

Net metering измеряет электрический поток в обоих направлениях: сколько энергии система потребляет от электросети и сколько вводится.Когда солнечная система производит избыточное количество энергии, счетчик фактически работает в обратном направлении, в результате чего коммунальная компания вознаграждает кредиты за избыточную мощность.

Эти кредиты можно использовать для покупки энергии у коммунального предприятия, когда солнечная система не в состоянии удовлетворить спрос.

Какие компоненты составляют солнечную систему?

Солнечные панели являются наиболее очевидными компонентами фотоэлектрической системы, но составляют лишь около 30% от общей стоимости системы. Высокотехнологичное мерцание солнечных панелей — это лишь верхушка айсберга, который фотоэлектрическая система использует для получения возобновляемой энергии солнца.

Давайте подробнее рассмотрим важные компоненты, из которых состоит солнечная система.

Солнечные фотоэлектрические панели

Типичная солнечная панель состоит из кремниевых элементов, металлического каркаса, элементов проводки и стекла. Изолирующий слой и защитный задний лист защищают панель от чрезмерного нагрева и влажности.

Хотя общая конструкция солнечных панелей довольно стандартна, кремниевые элементы производятся в двух различных форматах:

• Монокристаллические ячейки представляют собой один твердый кристалл кремния.Моноэлементы предоставляют больше пространства для движения электронов, что приводит к уменьшению размеров и большей эффективности панели. Обратной стороной является то, что они, как правило, дороже.
  
• Поликристаллические ячейки состоят из множества отдельных осколков кремния, сплавленных вместе. Хотя полиэлементы не так эффективны, как моноэлементы, они имеют более низкую цену.

Моно и поли ячейки служат той же цели. Эстетика и бюджет помогут вам определить, что подходит для вашего следующего проекта.Монопанели, как правило, имеют более темный и однородный цвет, а поли-панели более светлые (обычно синие). Если пространство ограничено, лучше всего подойдут монопанели благодаря их более высокой эффективности. Но если пространство не является проблемой или у вас ограниченный бюджет, поли панели по-прежнему являются отличным выбором.

Инверторы

Солнечная энергия поступает прямо с панели в виде постоянного тока. Но энергия должна быть преобразована в переменный ток, прежде чем ее можно будет использовать в коммерческой электрической сети.К счастью, постоянный ток легко конвертируется в переменный, и эта работа остается за инвертором.

Инверторы

делятся на 4 большие категории:

1. Автономные инверторы потребляют энергию постоянного тока от батарей, заряжаемых солнечными панелями, и не взаимодействуют с сетью.
   
2. Сетевые инверторы согласовывают электрический ток от солнечных панелей и электросети. Сетевые инверторы отключаются во время перебоев в подаче электроэнергии, поэтому на них нельзя полагаться в качестве резервного источника питания.
   
3. Инверторы резервного питания от батарей потребляют энергию от батареи и экспортируют излишки энергии в сеть.Инверторы с резервным аккумуляторным питанием могут обеспечивать питание переменного тока при отключении электроэнергии.
   
4. Интеллектуальные гибридные инверторы — это комплексные решения, которые можно использовать для сетевых, автономных или резервных приложений. Интеллектуальные гибридные инверторы часто подключаются непосредственно к солнечным батареям и управляют солнечной нагрузкой, хранением аккумуляторов и взаимодействием с сетью.

Стойка и система крепления

Стеллаж и монтажное оборудование делают гораздо больше, чем просто крепят панели к крыше или земле — они обеспечивают правильное расположение для максимального воздействия солнечных лучей.Выбор правильной конфигурации и положения для монтажа важен для обеспечения максимальной производительности любой системы.

Солнечные стеллажи и монтажные системы делятся на 3 категории:

1. Системы наземного монтажа . Традиционные системы крепления на земле закрепляют штабелированные панели на земле, часто от двух до четырех панелей в высоту. Две направляющие обычно поддерживают каждую панель, которую можно ориентировать в портретной или альбомной ориентации. Эти системы крепятся к земле с помощью стальных стержней, винтов или балластов, например бетонных блоков.
   
2. Системы слежения . Моторизованные системы слежения следят за солнцем в течение дня, максимально увеличивая воздействие солнечного света. Системы слежения подразделяются на одноосные и двухосные. Одноосные системы следуют за солнцем с востока на запад по прямой. Двухосевые системы отслеживают солнце по круговой схеме для улучшения воздействия солнечного света.
   
3. Системы крепления на крышу . В наиболее распространенных системах крепления на крыше используются рельсы, надежно прикрепленные к крыше.В других системах, устанавливаемых на крышу, панели крепятся непосредственно к болтам или винтам, закрепленным на крыше, что исключает необходимость использования рельсов и обеспечивает более гладкую эстетику и меньшую нагрузку. Балластные и непроникающие системы обычно используются на плоских крышах или крышах, которые не могут поддерживать монтажное оборудование.

Системы мониторинга производительности

Система мониторинга производительности — это панель, которая дает полную картину производительности вашей системы. Помимо нечетких ощущений, когда вы видите, как ваш счетчик вращается в обратном направлении, система мониторинга производительности солнечной энергии предлагает ценную информацию о фотоэлектрической системе.

Система мониторинга производительности предлагает информацию о мощности и потреблении энергии, оптимизирует использование энергии и может информировать вас о проблемах в вашей солнечной системе. Системы мониторинга солнечной энергии работают через инверторы, обычно через программное обеспечение для мониторинга, которое обеспечивает связь между инвертором и другими устройствами.

Системы мониторинга производительности

собирают информацию, когда инвертор преобразует постоянный ток в переменный, и делают эту информацию доступной для домовладельца через сопутствующие приложения и устройства умного дома.Лучшие системы мониторинга производительности собирают данные через центральный инвертор или от отдельных микроинверторов, прикрепленных к каждой солнечной панели. Более поздний вариант обеспечивает более полное представление о производительности отдельных солнечных панелей и позволяет быстрее диагностировать потенциальные проблемы.

Как изготавливаются солнечные панели?

Базовая конструкция солнечных панелей не сильно изменилась за последние десятилетия. Подобно массивам, которые впервые начали появляться в домах несколько десятилетий назад, большинство современных солнечных панелей по-прежнему построены из кремниевой матрицы между передней стеклянной пластиной и задним полимерным листом.

Солнечные панели должны выдерживать суровые погодные условия в течение своего 25-летнего срока службы. Лучшие солнечные панели созданы, чтобы выдержать испытание временем, для чего требуются несколько основных материалов и строгие стандарты производства.

Материалы

Солнечные панели лучше всего изображать в виде сэндвича из силикона и стекла. Материалы, из которых изготавливаются солнечные панели, относительно просты:

• Кремниевые элементы
  
• Металлический каркас
  
• Стекло
  
• Провод 12 В
  
• Провод шины
  
• Оргстекло

Кремний, элемент, придающий солнечным панелям их магию генерирования электричества, является активным ингредиентом в рецепте солнечных панелей-сэндвич, а также является наиболее энергоемким в производстве.Кремний — один из самых распространенных элементов на Земле и основной компонент пляжного песка. Но преобразование песка в чистый кремний, подходящий для солнечных батарей, — это энергоемкий процесс, требующий доработки в высокотемпературных дуговых печах.

После очистки кремния сырье готово для производства солнечной панели.

Производство

Изолированные кусочки кремния формуют в цилиндрические слитки, при этом особое внимание уделяется правильной ориентации атомов.На этом этапе добавляется бор, чтобы кремний получил положительный заряд. Затем слитки разрезают на тонкие пластины толщиной с бумагу и обрабатывают антибликовым покрытием, которое помогает лучше поглощать солнечный свет.

Затем на поверхность каждой пластины добавляются токопроводящие металлы. Фосфор рассеивается по поверхности, обеспечивая отрицательный заряд, чтобы уравновесить положительный заряд бора и обеспечить контролируемый поток электронов.

На этом этапе индивидуальный фотоэлемент готов.Далее ячейки с металлическими коннекторами впаиваются в матрицу. Эта сборка зажата между защитным задним листом и стеклянным покрытием и завершается распределительной коробкой и рамой.

Как устроены солнечные системы?

При проектировании солнечных систем учитываются два важных фактора: доступное пространство и потребность в энергии. Все гайки и болты при проектировании солнечной системы зависят от этих двух факторов, поэтому тщательное их понимание важно для хорошо спланированной солнечной установки.

Для начала проектировщик солнечной энергии рассчитает ежедневные потребности в энергии, обычно глядя на счет за коммунальные услуги. Далее дизайнер определит идеальное количество солнечных панелей для проекта и доступное пространство для их размещения. Определив потребности в энергии и доступное пространство, дизайнер может начать покупать компоненты.

Проектирование солнечной системы может быть сложным. Дизайнер должен определить требования к пространству, потенциальный оттенок, оптимальный угол наклона панели, необходимые разрешения и многое другое.Программные решения могут помочь оценить потребности в солнечной энергии и спланировать лучшую солнечную систему.

Программное обеспечение для проектирования Aurora Solar.

Например, просто выставив счет за электроэнергию, программное обеспечение для проектирования Aurora Solar автоматически предоставляет рекомендации по высококачественному дизайну и материалам для любого места. Aurora также предоставляет несколько инструментов планирования и проектирования в одном интуитивно понятном пакете, включая дизайн сайта, профили нагрузки, анализ оттенков, автоматическое проектирование системы, коммерческие предложения, шаблоны разрешений и многое другое.