Как работает солнечная батарея? Виды и устройство.


Устройство и работа солнечных батарей

Немного истории

Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века. Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций. Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.

солнечная батарея

Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной. Современные устройства напрямую преобразуют солнечные лучи в ток благодаря понятию фотоэлектрический эффект.

Современный принцип работы солнечной батареи был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы солнечной батареи на практике.

солнечная батарея

Когда появились солнечные батареи

Солнечные батареи были изобретены достаточно давно. Впервые эффект преобразования света в электричество был обнаружен Александром Эдмоном Беккерелем в 1842 году. Для создания первых прототипов потребовалось почти сто лет.

В 1948 году, а именно 25 марта, итальянский фотохимик Джакомо Луиджи Чемичан смог сделать то, что мы теперь используем и развиваем. Спустя 10 лет в 1958 году технология впервые была опробована в космосе в качестве элемента питания американского спутника, названного ”Авангард-1”. Спутник был запущен 17 марта, а уже 15 мая того же года это достижение повторили в СССР (аппарат ”Спутник-3”). То есть технологи начала массово применяться в разных странах почти одновременно.

Использование солнечных панелей в космосе — обычная практика.

Подобные конструкции применяются в космосе до сих пор, как важный источник энергии. А еще их используют на Земле для обеспечения энергией домов и даже целых городов. А еще их начали встраивать в гражданские электромобили для обеспечения большей автономности.

Вообще, важность подобных элементов невозможно переоценить. Только так можно добиться получения энергии в любой точке планеты. Гидроэнергетика, атомные станции, ветряки и тому подобные системы могут быть размещены только в определенных местах, стоят очень дорого или требуют соответствующей инфраструктуры. И только солнечные панели позволяют построить дом в пустыне и электрифицировать его. За относительно небольшие деньги. На «ветряк» их точно не хватит.

История создания солнечной батареи

В 1839 году Антуаном – Сезаром была представлена батарея, которая преобразовывала энергию Солнца в ток.

В 1877 году Адамс и Дей открыли выработку электричества селеном при действии на него солнечных лучей.

В 1905 году Альберт Эйнштейн описал фотоэффект.

В 1954 году был создан элемент солнечной батареи, выполненной из кремния Гордоном Пирсоном, Кэпом Фуллером и Дэррилом Чапиным.

Принцип работы

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.

солнечная батарея

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).

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. 1. Гибкие;
  2. 2. Жёсткие.

II. В зависимости от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой выделяют:

  1. 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;
  2. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из теллурида кадмия;
  3. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из селена;
  4. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из полимерных материалов;
  5. Из органических соединений;
  6. Из арсенида галлия
  7. 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.

Виды солнечных батарей

Для создания солнечных батарей применяют разный материал. В зависимости от его вида, выделяют следующие типы аккумуляторов:

  1. Монокристаллические. Очень производительные и дорогостоящие. Однако у них есть существенный недостаток: многоугольная форма. Из-за такой непростой формы заполнение всей площади усложняется.
  2. Аморфные кремниевые. Эти модели можно определить как бюджетный вариант. Недостаток в низкой производительности от 6 до 8 %.
  3. Из теллурида кадмия на основе пленочной технологии. Средняя производительность и доступная цена.
  4. На основе полупроводников CIGS. Для создания использовано несколько химических элементов, среди которых есть медь, галлий, селен, индий. Достоинство в отличной производительности (15%).
  5. Полимерные аккумуляторы очень тонкие, благодаря чему они выглядят декоративно. И это определенно сильная сторона данного вида батарей. В основе функционирования лежит принцип растительного фотосинтеза. Недостаточная производительность делает их не очень востребованными.

Многие предпочитают приобретать поликристаллические панели по причине оптимального соотношения их стоимости и КПД.

Как подключается

Как было сказано раньше, устройство солнечной батареи достаточно сложное. Правильная схема солнечной батареи поможет добиться максимальной эффективности. Подключать блоки преобразователей необходимо при помощи параллельно-последовательного способа, что позволит получить оптимальную мощность и максимально эффективное напряжение в электрической сети.

солнечная батарея

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.

1396862636_solnechnaya-batareya-dlya-dachi.jpg
Солнечные батареи удобно применять там, куда нельзя подвести электричество

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.

Параллельное и последовательное подсоединение

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.

Разновидности солнечных батарей

Существует несколько разновидностей фотоэлементов для солнечных батарей, которые отличаются между собой строением кристаллов кремния.

Выделяют три вида фотоэлементов:

  • поликристаллические;
  • монокристаллические;
  • аморфные.

Первый вид панелей является более дешевым, но менее эффективным, поскольку, если кремний нанесен поликристаллическим способом, то электроны не могут двигаться прямолинейно.

Монокристаллические фотоэлементы отличаются максимальным КПД, который достигает 25 %. Стоимость таких батарей выше, но для получения 1 киловатта нужна существенно меньшая площадь фотоэлементов, чем при использовании поликристаллических панелей.

Из аморфного кремния изготавливают гибкие фотоэлементы, но их КПД самый низкий и составляет 4-6 %.

солнечная батарея

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.

Схема электропитания дома от солнца

Система солнечного электроснабжения включает:

  1. Гелиопанели.
  2. Контроллер.
  3. Аккумуляторы.
  4. Инвертор (трансформатор).

Контроллер в этой схеме защищает как солнечные батареи, так и АКБ. С одной стороны он препятствует протеканию обратных токов по ночам и в пасмурную погоду, а с другой – защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.

Аккумуляторы для гелиопанелей

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.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества солнечных батарей:

  • солнечная энергия абсолютно бесплатная;
  • позволяют получать экологически чистую электроэнергию;
  • быстро окупаются;
  • простая установка и принцип работы.

солнечная батарея

Недостатки:

  • большая стоимость;
  • для удовлетворения потребностей небольшой семьи в электроэнергии нужна достаточно большая площадь фотоэлементов;
  • эффективность существенно падает в облачную погоду.

солнечная батарея

Как добиться максимальной эффективности

При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час. В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.

Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.

Каждый день солнце светит в среднем по 9 часов, если брать среднегодовой показатель. За один день квадратный метр поверхности преобразователя способен выработать 1 киловатт электроэнергии. Если за сутки жильцами дома израсходуется приблизительно 20 киловатт электроэнергии, то минимальная площадь солнечных панелей должна составлять приблизительно 40 квадратных метров.

Однако, такой показатель потребления электроэнергии на практике встречается редко. Как правило, жильцы израсходуют до 10 кВТ в сутки.

солнечная батарея

Если говорить о том, работают ли солнечные батареи зимой, то стоит помнить, что в данную пору года сильно снижается длительность светового дня, но, если обеспечить систему мощными аккумуляторами, то получаемой за день энергии должно быть достаточно с учетом наличия резервного аккумулятора.

При подборе солнечной батареи очень важно обращать внимание на емкость аккумуляторов. Если нужны солнечные батареи работающие ночью, то емкость резервного аккумулятора играет ключевую роль. Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке.

Несмотря на тот факт, что стоимость установки солнечных батарей может превысить 1 миллион рублей, затраты окупятся уже в течении нескольких лет, поскольку энергия солнца абсолютно бесплатна.

Видео

Как устроена солнечная батарея, расскажет наше видео.

Где купить

Приобрести солнечные панели можно как в специализированном магазине, так и онлайн в Интернет-магазине. Во втором случае, особого внимания заслуживает бюджетный вариант приобретения изделий на сайте Алиэкспресс. Для некоторых панелей есть вариант отгрузки со склада в РФ, их можно получить максимально быстро, для этого при заказе выберите «Доставка из Российской Федерации»:


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.