Как работают солнечные батареи. Из чего состоят фотоэлементы. Какие виды солнечных панелей бывают. Каков КПД солнечных батарей. Где применяются солнечные панели. Как повысить эффективность солнечных батарей.
Принцип работы солнечных батарей
Солнечные батареи преобразуют энергию солнечного света в электрическую энергию. В основе их работы лежит фотоэлектрический эффект, открытый еще в 19 веке. Как же происходит это преобразование энергии?
Основной компонент солнечной батареи — это фотоэлементы, изготовленные из полупроводникового материала, чаще всего кремния. Фотоэлемент состоит из двух слоев с разными свойствами:
- Верхний слой, обращенный к солнцу, имеет отрицательный заряд (n-слой)
- Нижний слой заряжен положительно (p-слой)
На границе этих слоев образуется p-n переход. Когда солнечный свет попадает на верхний слой, фотоны выбивают из атомов кремния электроны. Под действием разности потенциалов на p-n переходе электроны устремляются в n-слой, а образовавшиеся «дырки» — в p-слой. Так возникает электрический ток.
Для повышения вырабатываемой мощности множество фотоэлементов соединяют последовательно или параллельно в солнечные модули. Из модулей собирают солнечные панели и батареи.
Устройство солнечной батареи
Типичная солнечная батарея состоит из следующих основных компонентов:
- Фотоэлементы — преобразуют солнечный свет в постоянный ток
- Защитное стекло — предохраняет фотоэлементы от внешних воздействий
- Герметизирующий слой — защищает от влаги
- Рама — придает конструкции жесткость
- Распределительная коробка с контактами
Для работы солнечной электростанции также требуются:
- Контроллер заряда — управляет зарядом аккумуляторов
- Аккумуляторы — накапливают энергию
- Инвертор — преобразует постоянный ток в переменный
Виды солнечных панелей
По типу используемого полупроводникового материала солнечные панели делятся на:
Кремниевые панели
- Монокристаллические — изготавливаются из цельного кристалла кремния
- Поликристаллические — производятся из расплавленного кремния
Тонкопленочные панели
- Из аморфного кремния
- На основе теллурида кадмия
- Из селенида меди-индия-галлия
Самыми распространенными и доступными являются кремниевые панели. Монокристаллические имеют более высокий КПД (15-22%), но и стоят дороже. Поликристаллические панели дешевле, но их КПД ниже (13-17%).
Эффективность солнечных батарей
КПД солнечных батарей зависит от многих факторов:
- Тип фотоэлементов
- Интенсивность солнечного излучения
- Ориентация панелей относительно солнца
- Температура воздуха
- Чистота поверхности панелей
В среднем эффективность солнечных батарей составляет:
- Монокристаллические — 15-22%
- Поликристаллические — 13-17%
- Тонкопленочные — 5-12%
Для повышения КПД солнечных батарей используют:
- Системы слежения за солнцем
- Концентраторы солнечного излучения
- Двусторонние панели
- Многослойные фотоэлементы
Применение солнечных батарей
Солнечные батареи находят широкое применение во многих сферах:
- Частные дома и дачи — автономное электроснабжение
- Промышленность — солнечные электростанции
- Транспорт — электромобили, самолеты на солнечных батареях
- Космос — питание спутников и космических станций
- Портативная электроника — зарядные устройства
- Уличное освещение
Солнечная энергетика активно развивается. По прогнозам экспертов, к 2050 году солнечные батареи могут обеспечивать до 20-25% мирового производства электроэнергии.
Преимущества и недостатки солнечных батарей
Солнечные батареи имеют ряд важных достоинств:
- Экологичность — не загрязняют окружающую среду
- Возобновляемость ресурса — солнечный свет неисчерпаем
- Бесшумность работы
- Минимальное обслуживание
- Долгий срок службы (25-30 лет)
Однако есть и некоторые недостатки:
- Зависимость от погодных условий и времени суток
- Высокая стоимость оборудования
- Необходимость периодической очистки панелей
- Большая площадь для размещения панелей
Перспективы развития солнечной энергетики
Технологии солнечной энергетики постоянно совершенствуются. Основные направления развития:
- Повышение КПД солнечных элементов
- Снижение стоимости производства
- Разработка более эффективных методов хранения энергии
- Создание гибких и прозрачных солнечных панелей
- Интеграция солнечных батарей в строительные материалы
Эксперты прогнозируют, что в ближайшие десятилетия солнечная энергетика станет одним из основных источников электроэнергии в мире, потеснив традиционные ископаемые виды топлива.
Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель
Эффективное преобразование бесплатных лучей солнца в энергию, которую можно использовать для электроснабжения жилья и иных объектов, – заветная мечта многих апологетов зеленой энергетики.
Но принцип работы солнечной батареи, и ее КПД таковы, что о высокой эффективности таких систем пока говорить не приходится. Было бы неплохо обзавестись собственным дополнительным источником электроэнергии. Не так ли? Тем более что уже сегодня и в России с помощью гелиопанелей “дармовой” электроэнергией успешно снабжается немалое количество частных домохозяйств. Вы все еще не знаете с чего начать?
Ниже мы расскажем вам об устройстве и принципах работы солнечной панели, вы узнаете, от чего зависит эффективность гелиосистемы. А размещенные в статье видеоролики помогут собственноручно собрать солнечную панель из фотоэлементов.
Содержание статьи:
Солнечные батареи: терминология
В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.
По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.
Галерея изображений
Фото из
Установка из солнечных панелей позволяет рационально использовать бесплатную, к тому же неисчерпаемую энергию солнечных лучей
Миниатюрные электростанции, собранные из солнечных батарей, обеспечат энергией неэлектрифицированные объекты и дома, расположенные в регионах с перебоями в поставке электричества
Установки, перерабатывающие УФ излучение в электроэнергию, занимают минимум места. их располагают на крышах домов, хозпостроек, гаражей, беседок, веранд. Реже их располагают на открытых, не занятых постройками и насаждениями площадках
Солнечные батареи — незаменимое оборудование для любителей путешествий. Оно обеспечит энергией вдали от источников электропитания
Использование солнечной энергии предоставит возможность существенно сократить затраты на содержание дач и загородных домов. собрать и установить экономически полезную систему без затруднений можно собственными руками
Расположенные на корме яхты, палубе корабля или носу катера солнечные батареи обеспечат электроэнергией, благодаря которой можно поддерживать стабильную связь с берегом
Портативная солнечная панель с аккумулятором исключит возникновение экстремальных ситуаций вдали от населенных пунктов, гарантирует зарядку мобильных устройств для общения с близкими
Выпускаемые специально для походов легкие компактные зарядные устройства на основе солнечных батарей обеспечат энергией телефоны, рации, планшеты и медиа-технику
Рациональное использование природных ресурсов
Обеспечение энергией неэлектрифицированных объектов
Монтаж солнечных панелей на крыше
Мобильная солнечная батарея в кемпинге
Самостоятельный монтаж на дачном участке
Генератор энергии в морских прогулках
Портативная солнечная панель с аккумулятором
Занимающий минимум места прибор
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 .
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
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.
Галерея изображений
Фото из
Гелио-электростанция на загородном участке
Солнечные монокристаллические батареи
Внешний вид солнечных батарей на монокристаллах
Монокристаллическая единица солнечной батареи
Поставка готовой к монтажу солнечной батареи
Поликристаллический фотоэлемент для солнечной батареи
Гелио-батарея из поликристаллических фотоэлементов
Изготовление солнечной батареи своими руками
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.
Настоящим прорывов в области использования солнечной энергии стала разработка гибких панелей с аморфным фотоэлектрическим кремнием:
Галерея изображений
Фото из
Гибкий вариант солнечной батареи
Наклейка гибкого фотоэлемента на жалюзи
Зарядка для мобильников на гибкой батарее
Устойчивая к механическим воздействиям панель
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 , 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.
- .
- 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 . 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 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 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.
sovet-ingenera.com
Принцип работы солнечной батареи — как работает гелиобатарея ,виды, плюсы и минусы
Здесь вы узнаете:
Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте. Солнечный свет, попадая на кремниевый полупроводник, преобразуется в электрический ток. Затем он накапливается в аккумуляторах и используется для бытовых нужд.
Принцип работы солнечных батарей
Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.
Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.
Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.
При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.
Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.
Технические характеристики
Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:
- Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;
- Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;
- Контроллер уровня заряда аккумулятора.
Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.
Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.
(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)
Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.
Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.
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.
Виды солнечных батарей
В настоящее время солнечные батареи представлены несколькими вариантами в зависимости от типа их устройства, и от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой.
I. Классификация по типу их устройства:
- 1. Гибкие;
- 2. Жёсткие.
II. В зависимости от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой выделяют:
- Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из кремния. Они в свою очередь бывают монокристаллическими, поликристаллическими и аморфными. Монокристаллические панели достаточно дорогой вариант, но они отличаются высокой мощностью. Поликристаллические дешевле, чем монокристаллические панели. Такие панели медленней теряют свою эффективность с увеличением сроков службы, а так же при нагревании. Аморфные представлены в основном тонкопленочными панелями. Такое устройство солнечной батареи позволяет генерировать солнечный свет, даже в плохих погодных условиях;
- Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из теллурида кадмия;
- Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из селена;
- Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из полимерных материалов;
- Из органических соединений;
- Из арсенида галлия
- Из нескольких материалов одновременно.
Основные типы, которые получили распространение, это многопереходные кремниевые фотоэлементы.
Фотоэлементы, выполненные из кремния, отличаются высокой чувствительностью к нагреванию, компактностью, надежностью и высоким уровнем КПД (коэффициента полезного действия).
Другие материалы не получили широкого распространения в связи с большой стоимостью.
Сфера применения солнечной энергии
Есть три направления использования солнечной энергии:
- Экономия электроэнергии. Солнечные панели позволяют отказаться от централизованного электроснабжения или уменьшить его потребление, а также продавать излишки электричества электроснабжающей компании.
- Обеспечение электроэнергией объектов, подведение к которым линии электропередач невозможно или невыгодно экономически. Это может быть дача или охотничий домик, находящийся далеко от ЛЭП. Такие устройства используются также для питания светильников в отдаленных участках сада или автобусных остановках.
- Питание мобильных и переносных устройств. При походах, поездках на рыбалку и других подобных мероприятиях есть необходимость зарядки телефонов, фотоаппаратов и прочих гаджетов. Для этого также используются солнечные элементы.
Солнечные батареи удобно применять там, куда нельзя подвести электричество
Преимущества солнечных батарей
Солнечная энергия — это перспективное направление, которое постоянно развивается. Они имеют несколько основных достоинств. Удобство использования, долгий срок службы, безопасность и доступность.
Положительные стороны применение данной разновидности аккумуляторных батарей:
- Возобновляемость – этот источник энергии практически не имеет ограничений притом бесплатный. По крайней мере на ближайшие 6.5 миллиардов лет. Нужно подобрать оборудование, установить его и использовать по назначению (в частном доме или коттеджном участке).
- Обильность – Поверхность земли в среднем получает около 120 тысяч терравват энергии что в 20 раз превышает нынешнее энергопотребление. Солнечные батареи для коттеджей или частных домов имеют огромный потенциал для использования.
- Постоянство – солнечная энергия постоянна поэтому человечеству не грозит перерасход в процессе ее использования.
- Доступность – солнечная энергия может вырабатывать на любой территории, при наличии естественного света. При этом чаще всего она применяется для отопления жилища.
- Экологическая чистота – солнечная энергетика является перспективной отраслью, которая в будущем заменит электростанции, работающие на невозобновляемых ресурсах: газ, торф, уголь и нефть. Безопасны для здоровья людей и домашних животных.
Важно: Отдельно хочется подчеркнуть термоядерную энергию. Несмотря на то, что «мирный атом» позиционируется, как безопасный, при авариях на АЭС этот фактор полностью перечеркивается (Три-Лонг-Айленд, Чернобыль, Фукусима).
- При производстве панелей и монтаже солнечных электростанций в атмосферу не происходят значительные выбросы вредных или токсичных веществ.
- Бесшумность – выработка электроэнергии производится практически бесшумно, и поэтому этот вид электростанций лучше ветровых электростанций. Их работа сопровождается постоянным гулом из-за чего оборудование быстро выходит из строя, а сотрудники должны делать частые перерывы на отдых.
- Экономичность – при использовании солнечных батарей владельцы недвижимости ощущают значительное снижение коммунальных расходов на электроэнергию. Панели имеют долгий срок службы – производитель дает гарантию на панели от 20 до 25 лет. При этом обслуживание всей электростанции сводится к периодической (раз в 5-6 месяцев) очистке поверхностей панелей от грязи и пыли
Недостатки солнечных батарей
К сожалению, и этот практически неисчерпаемый источник энергии имеет определенные ограничения и недостатки:
- Высокая стоимость оборудования – автономная солнечная электростанция даже небольшой мощности доступна далеко не каждому. Оборудование частного дома такими аккумуляторами стоит недешево, но помогает снизить расходы на оплату коммунальных услуг (электроэнергии).
- Обустройство собственного жилища солнечными батареями потребует финансовых затрат.
- Периодичность генерации — солнечная электростанция не способна обеспечить полноценную бесперебойную электрификацию частного дома.
Важно: Проблему можно решить, установив аккумуляторы высокой емкости, однако из-за этого возрастет стоимость получения энергии, что сделает ее невыгодной по сравнению с традиционными энергоносителями.
- Хранения энергии – в солнечной электростанции аккумуляторная батарея является самым дорогим элементом (даже батареи небольшого объема и панели на гелевой основе).
- Низкий уровень загрязнения окружающей среды – солнечная энергия считается экологически чистой, однако производственный процесс батарей сопровождается выбросами трифторида азота, оксидов серы. Все это создает «парниковый эффект».
- Использование в производстве редкоземельных элементов – тонкопленочные солнечные панели имеют в своем составе теллурид кадмия (CdTe).
- Плотность мощности – это количество энергии, которое можно получить с 1 кв. метра энергоносителя. В среднем этот показатель составляет 150-170 Вт/м2. Это гораздо больше по сравнению с другими альтернативными источниками энергии. Однако несравнимо, ниже чем у традиционных (это касается атомной энергетики).
Отопление солнечной энергией домов
Принцип работы солнечной батареи для отопления дома кардинально отличает их от всех описанных выше приспособлений. Это совершенно другое устройство. Описание следует ниже.
Главной деталью отопительной системы, работающей на энергии солнца, является коллектор, принимающий его свет и преобразовывающий его в кинетическую энергию. Площадь этого элемента может варьироваться от 30 до 70 квадратных метров.
Для крепления коллектора используется специальная техника. Между собой пластины соединены металлическими контактами.
Следующим компонентом системы является накопительный бойлер. В нем происходит трансформация кинетической энергии в тепловую. Он участвует в нагревании воды, литраж которой может достигать 300 литров. Иногда такие системы поддерживаются дополнительными котлами на сухом топливе.
Завершают систему солнечного отопления настенные и напольные элементы, в которых по тонким медным трубам, распределенным по всей их площади, циркулирует нагретая жидкость. Благодаря низкой температуре запуска панелей и равномерности теплоотдачи, помещение прогревается достаточно быстро.
Как работает солнечное отопление
Давайте подробно рассмотрим принцип работы солнечных батарей от ультрафиолетового света.
Между температурой коллектора и накопительного элемента появляется разница. Носитель тепла, что чаще всего является водой, в которую добавлен антифриз, начинает циркулировать о системе. Совершаемая жидкостью работа является именно кинетической энергией.
По мере прохождения жидкости через слои системы кинетическая энергия преобразовывается в тепло, которое и используется для отопления дома. Этот процесс циркуляции носителя обеспечивает помещение теплом и позволяет сохранять его в любое время суток и года.
Итак, мы выяснили принцип работы солнечных батарей.
remont-system.ru
Солнечные батареи: принцип работы, как сделать своими руками в домашних условиях
Использование солнечной энергии для обеспечения жизненных потребностей в 21 веке является актуальным вопросом не только для корпораций, но и для населения. Теперь использование солнечных батарей для получения экологической электроэнергии привлекает много людей своей доступностью, автономностью, неиссякаемостью и минимальными вложениями. Теперь эти явления настолько привычны и обыденны, что уже давно прочно обосновались в нашу каждодневную жизнь.
Данный источник электроэнергии используется для освещения, функционирования бытовых электроприборов и отопления. Уличные фонари на солнечных батареях используются повсеместно в городской черте, на дачных участках и территориях загородных коттеджей.
Содержание
Принцип работы солнечной батареи
Как работает солнечная батарея, во многом зависит от ее устройства. Первоначально фотоэлементы изготавливались из кремния. Они и сейчас очень популярны, но поскольку процесс очистки кремния достаточно трудоемок и затратен, разрабатываются модели с альтернативными фотоэлементами из соединений кадмия, меди, галлия и индия, но они менее производительны.
КПД солнечных батарей с развитием технологий вырос. На сегодняшний день это показатель возрос от одного процента, который регистрировался в начале столетия, до более двадцати процентов. Это позволяет в наши дни использовать панели не только для обеспечения бытовых нужд, но и производственных.
Технические характеристики
Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:
- Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;
- Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;
- Контроллер уровня заряда аккумулятора.
Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.
Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.
(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)
Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.
Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.
Установка солнечных батарей
Если конструкции будут использоваться для электрообеспечения жилых пространств, то место установки следует выбирать тщательно. Если панели будут загорожены высотными зданиями или деревьями, то трудно будет получить необходимую энергию. Их необходимо разместить там, где поток солнечных лучей максимален, то есть на южную сторону. Конструкцию лучше установить под наклоном, угол которого равен географической широте месторасположения системы.
Солнечные панели должны размещаться таким образом, чтобы хозяин имел возможность периодически очищать поверхность от пыли и грязи или снега, поскольку это приводит к более низкой способности выработки энергии.
Солнечная батарея своими руками
Те, кто хочет сэкономить, задумываются, как сделать солнечную батарею в домашних условиях самостоятельно, чтобы она обладала необходимыми эксплуатационными параметрами и полностью обеспечивала энергетические потребност. Это особенно актуально для мест отдаленных от главных артерий цивилизации.
Солнечные батареи своими руками в домашних условиях изготавливаются из соответствующих элементов, которые можно купить в открытом доступе в специализированных компаниях или через интернет магазины. Если кремниевые пластины должны приобретаться у производителей, то остальные элементы, такие как лента, рамка, пленка, стекло, припой и прочее можно вполне обнаружить и дома в хозяйстве.
Солнечная батарея своими руками из подручных средств изготавливается некоторыми умельцами из медных листов, зажимов, мощных электроплит, соли и из других материалов. Такие кустарные устройства не смогут полностью обеспечить необходимой электроэнергией и могут использоваться лишь в небольших масштабах.
Лучше всего солнечные батареи купить у производителя, поскольку они обладают гарантией и необходимыми функциональными и эксплуатационными параметрами, и, значит, не подведут. Производство солнечных батарей базируется на применении новейших технологий, которые постоянно развиваются, предлагая более усовершенствованные модели. В зависимости от размеров устройств, они могут использовать для различных целей в местах, где нет снабжения электроэнергией. Они встречаются на калькуляторах, часах, различных мобильных устройствах.
Так, например, рюкзак с солнечной батареей будет незаменимым помощником тех, кто любит путешествовать с комфортом. Он накопит достаточно энергии, чтобы зарядить фонарик для освещения туристической палатки или чтобы во время похода заряжать необходимые гаджеты. Судя по отзывам, солнечные батареи используются часто и с удовольствием для удовлетворения разнообразных нужд не только на природе, но и в быту.
Современные устройства со встроенными солнечными модулями
- Power bank с солнечной батареей – внешний накопитель с фотоэлементами для преобразования солнечных лучей в заряд аккумулятора. Он обладает несколькими портами и предназначен для зарядки смартфонов или планшетов. Это незаменимое устройство для тех кто, много времени тратят в дороге и пользуются гаджетами. Устройство, зависимо от модели может дополняться различными функциями, как, к примеру, фонариком.
- Робот конструктор – наборы с различными элементами, из которых можно собрать несколько конструкций, которые двигаются автономно. Это лучшая игрушка для любознательных детей. Робот конструктор на солнечной батарее купить интересно будет не только малышам, но и вполне взрослым дяденькам, поскольку захватывающим является не только движение робота, но и сам процесс сборки.
- Уличные садовые светильники на солнечных батареях – идеальное решение для сада, огорода или приусадебного участка. Благодаря накопленному заряду они будут светиться всю ночь. Для этого не нужно прокладывать специальную проводку. Их можно брать с собой на рыбалку или семейный поход. Чрезвычайная мобильность, компактность и удобство делают фонари самыми востребованными изделиями на солнечных батареях.
Возможности эксплуатации настолько разнообразны, а технологии так быстро развивается, что скоро солнечные модули охватят все сферы жизни современного человека.
mbhn.ru
Доступными словами принципы работы солнечных батарей
Почти 100% всей энергии, которую мы используем в повседневной жизни – это энергия солнца, так или иначе преобразованная. Уголь – это умершие растения, которые жили благодаря фотосинтезу, нефть – растения и животные, которые вымерли миллионы лет назад и росли за счет энергии солнца. Даже когда вы сжигаете дрова – вы даете выход солнечной энергии, которую в себя впитала древесина. По сути, любая тепловая электростанция преобразовывает аккумулированную в виде угля, нефти, газа и др. ископаемых солнечную энергию в электричество.
Солнечная батарея просто делает это напрямую, без участия «посредников». Электричество – наиболее удобная форма применения солнечной энергии. Весь быт человечества сейчас построен вокруг электричества, и цивилизацию без него очень сложно представить. Несмотря на то, что первые фотоэлементы появились более полувека назад, солнечная энергетика пока не нашла должного распространения. Почему? Об этом в конце статьи, а пока разберемся, как это все работает.
Все дело в кремнии
Солнечные батареи состоят из ячеек меньшего размера – фотоэлементов, которые сделаны из кремния.
Солнечная панель состоит из нескольких фотоэлементов.
Важно. Кремний – наиболее распространенный полупроводник на Земле (около 30% всей земной коры)
Кремний располагается между двумя токопроводящими слоями.
«Сэндвич» из кремния и токопроводящих слоев
Каждый атом кремния соединен с соседними четырьмя сильными связями, которые удерживают электроны на месте, поэтому так ток течь не может.
Структура атомов кремния
Для того, чтобы получить ток используют два различных слоя кремния:
- Кремний N-типа имеет избыток электронов
- Кремний Р-типа – дополнительные места для электронов (дырки)
Кремний Р и N типа
Там, где соединяются два типа кремния, электроны могут перемещаться через Р-N переход, оставляя положительный заряд на одной стороне и отрицательный на другой.
Чтобы это было легче представить, лучше думать о свете, как о потоке частиц (фотонов), которые ударяются о нашу ячейку настолько сильно, что выбивает электрон из его связи, оставляя дырку. Отрицательно заряженный электрон и место положительно заряженной дырки теперь могут свободно перемещаться, но т.к. мы имеем электрическое поле на Р-N переходе, они движутся только в одном направлении. Электрон – в сторону N-проводника, дырка стремится на Р — сторону пластины.
После «освобождения» электрон стремится к проводнику
Все электроны собираются металлическими проводниками вверху ячейки и уходят во внешнюю сеть, питая токоприемники, аккумуляторы для солнечных батарей или электрический стул для хомяка 🙂 . После проведенной работы электроны возвращаются к обратной стороне пластины и занимают места в тех самых «дырках».
Работа фотоэлемента
Стандартная пластина, 150х150 мм номинально вырабатывает только 0,5 вольта, но если объединить их в одну большую панель, то можно получить бо́льшую мощность и вольтаж. Для зарядки мобильника нужно объединить 12 таких пластин. Для питания дома нужно затратить гораздо больше пластин и панелей.
Благодаря тому, что в фотоэлементах единственной подвижной частью являются электроны, солнечные панели не нуждаются в обслуживании и могут служить 20-25 лет не изнашиваясь и не ломаясь.
Почему человек не перешел на солнечную энергию полностью?
Можно много рассуждать о политике, бизнесе и прочей конспирологии, но в рамках этой статьи хотелось бы рассказать о других проблемах.
- Неравномерное распределение солнечной энергии по поверхности планеты. Одни области более солнечные, чем другие и это тоже непостоянною. Солнечной энергии гораздо меньше в пасмурные дни и совсем нет ночью. И чтобы полностью рассчитывать на солнечную энергию, необходимы эффективные способы получения электричества для всех областей.
- КПД. В лабораторных условиях удалось достичь результата в 46%. Но коммерческие системы не достигают даже 25% эффективности.
- Хранение. Самым слабым звеном в солнечной энергетике является отсутствие эффективного и дешевого способа сохранять полученную электроэнергию. Существующие аккумуляторные батареи тяжелы и значительно снижают эффективность и без того слабые показатели солнечной системы. В целом, хранить 10 тонн угля проще и удобнее, чем 46 мегаватт, выработанных этим же углем или солнцем.
- Инфраструктура. Для того, чтобы питать мегаполисы – площадей крыш этих городов будет недостаточно, чтобы удовлетворить все запросы, поэтому для внедрения солнечной энергетики нужно транспортировать энергию, а для этого необходимо строить новые энергетические объекты
Видео о том, как производят солнечные батареи.
В ролике подробно описывается процесс изготовления поликристаллических солнечных батарей, принцип их работы в системе солнечных электростанций, принцип работы контроллера заряда и инвертора.
Окупаются ли солнечные батареи для частного дома Выгодно ли покупать комплектом солнечные батареи для дачи Виды контроллеров для солнечных батарей и как выбирать Реальное применение тонкопленочных солнечных батарей
electricadom.com
Солнечные батареи принцип действия
Приборы, служащие для преобразования электроэнергии из солнечных лучей, в народе называют солнечными батареями. По сути, такие электрогенераторы работают пока светит солнце, а значит такой источник энергии является практически неиссякаемым.
История открытия солнечных батарей
Александр Эдмон Беккерель
В XIX веке (1839 год) в возрасте 12 лет, французский естествовед Александр Эдмон Беккерель увидел фотогальванический эффект, трудясь в лаборатории своего отца Антуана Беккереля. Суть эффекта состоял в том, что при освещении платиновых пластин, находящихся в растворе электролита, гальванометр зарегистрировал появление ЭДС (электродвижущая сила). Взяв за основу этот эффект, Беккерель спроектировал актинограф — прибор для регистрации интенсивности света.
Уиллоуби Смит
Дальнейшим шагом на пути к солнечным батареям стало открытие фотопроводимости селена. Его осуществил Уиллоби Смит, английский инженер-электрик, занимавшийся разработкой изоляции подводных кабелей. В 1873 году он обнаружил, что электрическое сопротивление серого селена сильно «прыгает» от замера к замеру. Оказывается электропроводность стержней из селена стремительно возрастает при попадании на света. А в 1883 году американец Чарльз Фритс произвел первый фотоэлемент из тонкого слоя селена, находящийся между пластинами золота и меди.
Генрих Герц
Немецкий физик Генрих Герц в 1887 году выявил влияние солнечного излучения на электрический разряд. Смотря одновременно 2 разряда, Герц отметил, что яркая вспышка света от электрической искры 1-го разряда повышает длительность другого разряда.
Александр Григорьевич Столетов
В 1888 году наш земляк Александр Григорьевич Столетов изучил, как разряжается под воздействием освещения отрицательно заряженный цинковый электрод и как данный процесс зависит от интенсивности света.
Благодаря работам английского физика Джозефа Томсона в 1899 году и немецкого физика Филиппа Ленарда в 1900 году было подтверждено, что свет, попадая на металлическую поверхность, выбивает из неё электроны, вызывая возникновения фототока. Но целиком понять естество данного явления получилось в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн предоставил его разъяснение с позиции квантовой теории.
Джозеф Томсон (слева) и Филипп Ленард (справа)
Обширное применение солнечных модулей началось с 1946 года, после того как работы по увеличению производительности приборов были запатентованы. А в 1957 году солнечные батареи уже были запущены в космическое пространство в составе искусственного спутника земли. Данный полет продемонстрировал, что работа солнечных батарей способна не только обеспечивать энергией спутники, а считается единственным возможным источником питания для бесперебойной работы таких автономных устройств в космосе.
Принцип работы и устройство солнечной батареи
Устройство и принцип действия солнечной батареи
На сегодняшний день солнечные преобразователи производятся в большинстве случаев из кремния. Отличают 2 вида передовых технологий, на базе которых функционируют батареи: поликристаллическая и монокристаллическая.
Поликристаллическая по стоимости ниже, благодаря чему не особо эффективная технология.
Монокристаллическая по стоимости выше, цена которой зависит от трудозатратной технологии изготовления, а точнее выращивания монокристаллов. Она предоставляет больше количества электроэнергии и срок службы ее существенно больше. Благодаря этому, монокристаллический солнечный модуль является наиболее лучшим для использования его в повседневной жизни.
Работа солнечного элемента сопряжена с его устройством. Состоит он из кремниевых наружных пластин, с различными свойствами проводимости, и внутреннего слоя чистого монокристаллического кремния. Внутренний слой имеет установленную дырочную проводимость. Один из наружных проводников тоньше противоположного слоя и покрыт особым слоем, образующим цельный металлический контакт.
При попадании на один из наружных слоев солнечного света создается фотогальванический эффект, что приводит к формированию в этом слое свободных электронов. Данные частицы получают вспомогательную энергию и способны преодолеть внутренний слой элемента, который в данном случае именуется барьером. Чем больше объем солнечного света, тем сильнее происходит процесс прохождения или перепрыгивания электронов от одной наружной пластины к другой, минуя внутреннюю перегородку. При замыкании наружных пластин возникает напряжение. Та пластина, которая усиленно отдает частицы, создает в себе так называемые дырки, обретает знак минус, а которая принимает, обретает знак плюс.
Типы солнечных батарей
На сегодняшний день на рынке присутствуют 5 видов солнечных батарей в которых используются разные материалы и фотоэлементы.
Максимальную известность приобрели солнечные батареи из поликристаллических фотоэлементов. Результативность подобных панелей обычно составляет 12-14 %.
Поликристаллическая солнечная батарея
Панели из монокристаллических фотоэлементов характеризуются наиболее большим коэффициентом полезного действия (14-16 %). Подобные панели немножко дороже, нежели панели из поликристаллического кремния. Так же фотоэлементы выполнены в виде многоугольника и из-за этого не целиком наполняют пространство солнечной батареи, что приводит к наиболее низкой производительности всей батареи по отношению к одной ячейки фотоэлемента.
Монокристаллическая солнечная батарея
Солнечные батареи из аморфного кремния располагают минимальной результативности (6-8 %), однако в то же время обладают низкой себестоимостью производимой энергии.
Солнечная батарея из аморфного кремния
Солнечные батареи на основе Теллурид Кадмия (CdTe) внешне изображают тонкопленочную технологию изготовления солнечных панелей. Полупроводниковые слои покрывают панель толщиной всего в несколько сотен микрон. Разработка считается наименее опасным для окружающей среды. Результативность солнечных батарей CdTe составляет примерно 11-12 %.
Солнечная батарея на основе Теллурид Кадмия (CdTe)
Солнечные батареи в составе которых присутствуют смеси Индия, Галлия, Меди, Селена (CIGS) так же считаются тонкопленочной технологией изготовления фотоэлементов. Эффективность колеблется примерно от 10 до 15 %. Такая технология не особо распространена на рынке, но весьма быстро развевается.
Солнечные батареи на основе смеси Индия, Галлия, Меди, Селена (CIGS)
Области применения солнечных панелей
- Портативная электроника. Для снабжения электричеством и(или) подзарядки аккумуляторных батареи разной бытовой электроники.
- Электромобили. Подзарядка автотранспорта.
- Авиация. Разработка самолета, использующего только энергию солнца.
- Энергообеспечение зданий. Электроснабжение дома, за счет размещения крупных солнечных батарей на крышах.
- Энергообеспечение населённых пунктов. Создание солнечных электростанций.
- Дорожное покрытие. Дороги, покрытые солнечными панелями, для освещения их же в ночное время.
- Использование в космосе. Электроснабжение космических аппаратов.
- Использование в медицине. Внедрение под кожу миниатюрную солнечную батарею для обеспечения работы приборов, имплантированных в тело.
Преимущества и недостатки солнечных источников энергии
Преимущества:
- Экологически чистая энергия;
- Неисчерпаемость и постоянство солнечной энергии;
- Минимум обслуживания;
- Длительный срок службы;
- Доступность;
- Экономичность;
- Большая область применения.
Недостатки:
- Высокая цена панелей;
- Нерегулярность из-за погодных условий;
- Высокая цена аккумуляторных батарей для аккумулирования энергии;
- Для большей мощности необходимо устанавливать большие площади солнечных панелей.
Таким образом, анализируя все вышеупомянутое, можно отметить, что в данный момент получить выгоду от солнечной энергии могут лишь достаточно богатые собственники загородных домов. Они могут без проблем дождаться того этапа, когда батареи окупят себя.
101svetilnik.ru
Солнечные батареи принцип работы, подключение для частного дома
Одним из преимуществ загородного коттеджа и дачного домика является возможность их последующей модификации, включая полную или частичную модернизацию централизованной сети электроснабжения. Для этого широко используются автономные системы, работающие на альтернативных источниках энергии. И больше всего привлекает людей солнечная энергия. Технология, которая изначально разрабатывалась для нужд космической промышленности, доступна сегодня и в гражданском строительстве.
Эксперты в области мировой энергетики сходятся во мнении, что применение в быту стационарных электростанций, функционирующих на солнечных батареях, — самый «безболезненный» для экологии способ добычи природных ресурсов. Единственной проблемой, с которой сталкиваются владельцы частных домов, является выбор оптимальной конструкции и модели гелиосистемы с учетом экономической выгоды и прироста показателей КПД.
В этой статье мы затронем принцип действия солнечных панелей, рассмотрим популярные способы монтажа гелиоустановок и расскажем о важных аспектах эксплуатации оборудования, которые помогут определиться с выбором конфигурации электростанции для бытового использования.
Принцип работы «домашней» гелиосистемы
Рабочими элементами солнечной батареи для частного дома выступают фотоэлектрические пластины. Они поглощают инфракрасное излучение от солнца и генерируют бесплатные природные экоресурсы в постоянный электрический ток.
Чтобы фотопанели работали исправно и обеспечивали необходимую мощность, их соединяют между собой, чередуя параллельный и последовательный методы подключения. Постоянный электрический ток, в зависимости от конструкции, поступает на инвертор, где преобразуется в переменный ток 220 V, или временно «оседает» в аккумулирующих емкостях.
Второй вариант более практичный, так как накопление электроэнергии «на запас» позволяет:
- исключить резкие перепады напряжения в домашней сети;
- рационально использовать полученные ресурсы;
- автоматически или вручную регулировать интенсивность работы электростанции.
При правильном монтаже КПД современных гелиосистем держится на уровне 35–40%. Модульные солнечные батареи для дома демонстрируют максимальные показатели эффективности в южных регионах России, где хорошая погода стоит больше 200 дней в году.
При установке солнечных батарей для частного дома крайне важно учитывать не только район, но и географическую широту, поскольку ближе к полюсам излучение солнца менее интенсивно. Но даже в северных и восточных регионах использование альтернативной энергии позволит вам сэкономить на потреблении традиционно «домашних» ресурсов.
Варианты фотоэлектрических элементов
Как было сказано ранее, генерация электрического тока происходит в момент соприкосновения лучей солнца с поверхностью фотоэлементов. Воздействие инфракрасного излучения смещает электроны с их «родных» орбит, в результате чего создается направленное движение заряженных ионов. При грамотном монтаже одна солнечная панель площадью 10 кв. м способна вырабатывать порядка 1 кВт энергии. На мощность бытовых гелиосистем оказывают влияние характеристики фотоэлемента.
1) Монокристаллический кремний
Такие солнечные батареи для дома отличаются достаточно легким весом, компактными размерами, а также продолжительным сроком эксплуатации. Их очень удобно монтировать, вот только монокристаллические фотоэлементы требовательны к интенсивности солнечного излучения и направленности лучей. Даже небольшая облачность критична для солнечной батареи, поскольку практически всегда приводит к прекращению генерации электричества от солнца.
Толщина панелей колеблется в пределах 200–300 мкм, а КПД при хорошей погоде и правильном расположении конструкции держится на уровне 17–19%. Недостаток — высокая стоимость для частных домов.
2) Поликристаллический кремний
В среднем срок эксплуатации составляет 15-20 лет, КПД – 14%. По электрическим характеристикам поликристаллические фотоэлементы уступают монокристаллу.
Но благодаря тому, что кристаллы кремния направлены в разные стороны, пластины на солнечных батареях хорошо улавливают рассеянные световые пучки, а потому намного меньше «страдают» при отсутствии солнца.
3) Тонкопленочные панели
В данном случае используется светопоглощающая пленка, которая «впитывает» энергию солнца даже при пасмурной погоде. Вот только КПД у них держится на уровне 8–10%, но этот недостаток с лихвой компенсируется низкой стоимостью.
Тонкопленочные фотоэлементы можно установить в любом удобном месте кровли или стены здания. Они не притягивают пыль и даже работают при неблагоприятных условиях окружающей среды, но при малой интенсивности солнечного излучения КПД снижается на 15%. Недостаток — требуется большая площадь для монтажа.
Различают также фотоэлементы из аморфного кремния, которые представляют собой эконом-вариант для дачных домиков (КПД 7–8%), и панели из теллуида кадмия, изготовленные по пленочной технологии, — КПД в районе 9–11%.
Схемы подключения солнечных батарей
Выделяют несколько основных категорий фотоэлектрических систем энергоснабжения частного дома (ФСЭ), которые различаются между собой по техническим параметрам и функциональным характеристикам.
К первой группе относят полностью автономные (закрытые) системы, которые не интегрированы в централизованную сеть электроснабжения. Солнечные генераторы функционируют в собственном контуре, а бытовые приборы подключены напрямую. Показатели КПД возрастают после установки аккумуляторных батарей и контроллера заряда.
Вторую группу представляет система солнечных батарей открытого типа. По умолчанию аккумулирующие емкости в ней не предусмотрены. ФСЭ подключены к централизованной сети электроснабжения через инвертор. При допустимом значении потребляемой мощности работают только фотопанели, которые генерируют ток напрямую. Если нагрузка возрастает, потребление электричества производится из традиционных источников. Такие гелиосистемы стоят недорого, но и не отличаются высокой эффективностью.
К третьей категории относят комбинированные ФСЭ, которые обладают характеристиками гелиосистем открытого и закрытого типа. Такие конструкции отличаются высокой стоимостью, поскольку их работа связана с использованием аккумуляторных батарей повышенной емкости и сетевых многофункциональных преобразователей.
Обогрев дома при помощи солнечных панелей
Для автономного отопления частного дома стандартные гелиосистемы применяют в основном на юге России, где тепловая энергия является первоосновным источником электричества. Владельцам дачных домов и небольших коттеджей целесообразнее приобретать для нагрева воды бытовой коллектор.
Выбор конкретной схемы подключения напрямую зависит от условий эксплуатации оборудования и личных потребностей. Как показывает практика, использование солнечных батарей в зимний период дает возможность сэкономить на традиционных энергоносителях до 25% всех затрат, в зависимости от температуры окружающей среды.
Стандартный комплект оборудования
Чтобы обеспечить частный дом электроэнергией по «зеленым» тарифам, одних только солнечных панелей недостаточно. Базовая комплектация, помимо фотоэлементов, в обязательном порядке подразумевает применение вспомогательного оборудования:
- аккумулирующие емкости;
- сетевой инвертор;
- контроллер заряда АКБ.
Если вы решили самостоятельно сделать электростанцию, работающую от солнечных батарей, не выбирайте для накопления электроэнергии автомобильные аккумуляторы — их срок службы при интенсивной нагрузке составляет всего 2-3 года, поэтому такие «батарейки» придется регулярно менять.
Гелиосистемы на основе вакуумного коллектора или солнечного модуля для нагрева воды дополнительно комплектуются насосом для постоянной циркуляции теплоносителя, водяным котлом емкостью до 1000 л и электрическими тэнами.
Таким образом, солнечные энергоресурсы можно использовать для электроснабжения, горячего водоснабжения или отопления, включая систему «теплый пол». Чтобы подобрать наиболее подходящий вариант для автономного дома, надо предварительно рассчитать суммарную мощность потребления бытовых приборов, а также обязательно учесть уровень инсоляции, месторасположение и угол наклона фотопанелей, среднее количество солнечных дней в году.
Способы монтажа бытовых гелиоустановок
В установке солнечных батарей нет ничего сложного. Самое главное — грамотно разместить модули. При монтаже важно придерживаться определенного угла наклона, который должен соответствовать географической широте местности. В процессе установки нужно также соблюдать азимут. Для северо-восточных он составляет 180 градусов.
Зимой КПД электростанции с солнечными батареями может упасть до минимальных значений, поскольку обильные снегопады будут препятствовать попаданию лучей солнца на наружную поверхность фотоэлектрических элементов. Поэтому при монтаже важно учесть, что на крыше потребуется свободное место для очистки конструкции от налипшего снега и грязи. Впрочем, этих хлопот можно избежать, если зафиксировать солнечные панели на поверхности южной стены под углом 60–80 градусов. На практике для коттеджей применяют разные варианты расположения фотоэлектрических модулей:
- кровля — дополнительно потребуется установка надежной опорной конструкции из металлопрофилей или направляющих рельс;
- стены — в данном случае на фасад здания монтируется рамная система для удержания фотопанелей «на весу»;
- приусадебная территория — альтернативный вариант расположения батарей, когда кровля дома сильно затенена или не рассчитана на дополнительную нагрузку.
Свободное размещение имеет множество преимуществ, но требует наличия достаточного пространства на приусадебном участке. Чтобы автоматизировать процесс наклона и движения фотоэлектрических панелей по ходу солнца, дополнительно рекомендуется использовать специальные шарнирные конструкции с электроприводом.
Окупаемость и срок эксплуатации
Применение солнечных батарей позволит сэкономить на освещении и отоплении, независимо от времени года. Самые большие показатели энгергоэффективности гелиосистемы демонстрируют в южных широтах, где количество солнечных дней преобладает. Это и неудивительно, так как обязательным условием высокопродуктивной работы электростанции является стабильное поступление инфракрасного излучения и видимого света на поверхность фотоэлектрических элементов.
По статистике, солнечные батареи для частного дома мощностью 4–5 кВт при постоянном использовании окупают себя за 8–10 лет, после чего работают впрок. При этом срок эксплуатации составляет в среднем 20-25 лет, а вот аккумуляторные батареи придется менять через каждые 5-6 лет. Многим такие сроки окупаемости покажутся большими, но в действительности оно того стоит, учитывая, что в скором времени ископаемых ресурсов на планете практически не останется, а стоимость одного киловатта электроэнергии возрастет в разы.
earthgenerator.ru
Принцип работы и устройство солнечной батареи
Одним из источников энергии является солнечная батарея, генерирующая альтернативную энергию Солнца. Она появилась сравнительно недавно, но уже успела обрести популярность в странах Евросоюза, за счет высокой эффективности и приемлемой стоимости.Солнечная батарея является почти неисчерпаемым источником энергии, способным накапливать и преобразовывать световые лучи в энергию и электричество. В странах СНГ новый источник энергии постепенно только набирает популярность. (Кстати, статью о том, как выбрать солнечную батарею, Вы можете прочитать здесь.)
Компоненты
Само устройство и принцип работы энергоисточника можно называть простым. Оно состоит всего из двух частей:
- основного корпуса;
- преобразовательных блоков.
В большинстве случаев корпус делают из пластика. Он похож на обыкновенную плитку, к которой прикреплены преобразовательные блоки.Преобразовательным блоком является кремниевая пластинка. Она может изготавливаться двумя способами:
- поликристаллическим;
- монокристаллическим.
Поликристаллический способ является менее затратным, а монокристаллический считается наиболее эффективным.
Все остальные дополнительные части (например, контроллеры и инверторы), гаджеты и микросхемы присоединяют только для увеличения работоспособности и функционирования источника энергии. Без них солнечная батарея также сможет работать.
Имейте в виду: для того чтобы данный источник начал функционировать нужно правильно и аккуратно подключить все преобразовательные блоки.
С расчётом мощности солнечных батарей может помочь данная статья: https://teplo.guru/eko/solnechnyie-batarei-kpd.html
Существует два вида их подключения:
- последовательное;
- параллельное.
Разница лишь в том, что в параллельном соединении происходит увеличение силы тока, а при последовательном увеличивается напряжение.Если есть необходимость в максимальной работе сразу двух параметров, то используется параллельно-последовательное.
Но стоит учитывать, что высокие нагрузки могут способствовать тому, что некоторые контакты могут перегореть. Для предотвращения этого используют диоды.
Один диод способен защитить одну четвертую часть фотоэлемента. Если их нет в устройстве, то есть большая вероятность, что весь источник энергии прекратит своё функционирование после первого же дождя или урагана.
Важный момент: ни накопление, ни сила тока совершенно не соответствуют возможным параметрам современной бытовой техники, поэтому приходится перераспределять и накапливать электроэнергию.
Для этого рекомендуется дополнительно подключать минимум два аккумулятора. Один будет являться накопительным, а второй запасным или резервным.Приведем пример работы дополнительных аккумуляторов. Когда на улице хорошая и солнечная погода, то заряд идет быстро и через малое количество времени появляется уже лишняя энергия.
Поэтому весь этот процесс контролирует специальный реостат, который способен в определенный момент перевести всю ненужную электроэнергию в дополнительные резервы.
Познакомиться с отзывами владельцев солнечных батарей можно в данной статье: https://teplo.guru/eko/solnechnyie-batarei-dlya-doma-otzyivy.html
Принцип работы
В чем же заключается принцип работы альтернативного источника энергии?Во-первых, фотоэлементы являются кремниевыми пластинами. В свою очередь, кремний по своему химическому составу имеет максимальную схожесть с чистым силицием. Именно этот нюанс дал возможность понизить стоимость солнечной батареи и запустить ее уже на конвейер.
Кремний в обязательном порядке кристаллизуют, так как сам по себе он является полупроводником. Монокристаллы изготавливаются намного проще, но при этом не имеют много граней, за счет чего электроны имеют возможность двигаться прямолинейно.
Важно знать, что добавлением фосфора или мышьяка повышается электропроводность. Также, одним из важных свойств силиция является невидимость для инфракрасного излучения.
Благодаря этому элементу, преобразовательные блоки поглощают только полезные части солнечного спектра.
Последовательность действий солнечной батареи:
- Принцип работы солнечной батареи. (Для увеличения нажмите)
Энергия солнца попадает на пластины.
- Пластины нагреваются и освобождают электроны.
- Электроны активно двигаются по проводникам.
- Проводники дают заряд аккумуляторам.
Вот мы и выяснили, из чего состоят солнечные батареи и каков их принцип действия.
Подробнее узнать об основных видах солнечных панелей можно здесь: https://teplo.guru/eko/vidyi-solnechnyih-paneley.html
В заключение хотелось бы добавить, что такую альтернативу можно сделать дома самостоятельно, при наличии всех необходимых частей.
Смотрите видео, в котором в легкой и познавательной форме объясняется принцип работы солнечных батарей:
teplo.guru
