Принцип работы солнечной батареи, что такое солнечная батарея

В статье рассмотрены схема панели солнечной батареи, элементы и комплектующие системы солнечных батарей. Как устроена солнечная батарея, из чего состоит и состав солнечной батареи.

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 отопления дома.

Солнечная батарея

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.

Принцип работы солнечной батареи

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.

Изобретение

Древний инсоляторИнсолятор О. МушоПервым, кто смог экспериментально обнаружить взаимодействие между светом и электрической энергией, был знаменитый немецкий физик Генрих Герц. Также известно, что явление, аналогичное открытому позднее фотоэффекту наблюдал и исследовал в 1839 г. Эдмон Беккерель.

Он сумел выяснить, что ультрафиолет значительно способствует возникновению и прохождению разряда между двумя проводниками электрической энергии. Однако, проведя ряд экспериментов, Герц не стал больше развивать эту тему.

Первую в мире, работоспособную схему по выработке и передаче электрической энергии с применением лучей света произвёл русский учёный из Москвы Александр Столетов. Он создал прообраз первого в мире фотоэлемента.

Француз Огюст Мушо в конце позапрошлого столетия сумел создать систему, при которой сфокусированные и преобразованные солнечные лучи приводили в движение печатную машину.

Развитие исследований по преобразованию солнечной энергии в электрическую в 20 веке ознаменовалось работой А. Эйнштейна по открытию фотоэффекта (явление отрывания заряженных частиц от поверхности некоторого вещества, находящегося под действием другого вещества или света).

Это привело к появлению первых фотоэлементов на основе селена (Se – 34), а затем и таллия (Tl – 81). В 1930 гг. учёными-физиками Академии наук СССР был создан медно-таллиевый (Cu-Tl) фотоэлемент с наибольшим для тех времён КПД в 1%.

Появившиеся позднее фотоэлементы на основе Кремния (Si-14) имели в 6 раз больший КПД. В 1953 г. была разработана первая в мире солнечная батарея. Спустя всего 5 лет учёные СССР установили первые солнечные батареи на искусственный спутник Земли №3.

Спутник с СБТретий искусственный спутник Земли (СССР, 15 мая 1958 г.) с солнечными батареями.В 1970-х гг. прошлого века учёные выяснили, что полупроводники лучше многих металлов образуют электрический ток из света. С тех пор появилось множество новых видов и материалов для производства солнечных батарей.

Именно открытие фотоэффекта, произведённое А. Эйнштейном, и привело к возникновению и развитию индустрии 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

Терминология

Основные термины, используемые в этой сфере:

  1. Солнечная энергия – электричество, которое получают от солнца при использовании панелей.
  2. Солнечная инсоляция – показывает, сколько солнечного света приходится на квадратный метр поверхности, расположенной перпендикулярно лучам.
  3. Фотоэлектрические элементы – модули, способные преобразовывать солнечный свет в электрическую энергию. Обычно вырабатывают от 1 до 2 Вт энергии, но есть и более производительные варианты.
  4. Фотогальваническая система – комплект оборудования, преобразовывающий свет солнца в электроэнергию.
  5. Солнечные батареи или панели – группа фотоэлектрических элементов, сгруппированных в большой модуль и соединенных последовательным или последовательно-параллельным способом. Обычно в одну батарею входит от 36 до 40 сегментов.
  6. Массив – несколько солнечных панелей, соединенных чтобы получить нужное количество тока.
  7. Каркасные модули – конструкции в алюминиевом каркасе, прочные и герметичные.
  8. Бескаркасные элементы – гибкие варианты, их используют в условиях меньших нагрузок.
  9. Киловатт-час (кВт) – стандартный показатель измерения электрической мощности.
  10. КПД (эффективность) – солнечных панелей. Показывает, какое количество солнечной энергии, попавшей на поверхность, преобразуется в электричество. Обычно показатель составляет 15-24%.
  11. Деградация – уменьшение емкости солнечных батарей, происходящее по естественным причинам. Измеряется в процентах от первоначальных показателей.
  12. Пиковые нагрузки – моменты, когда требуется наибольшее количество электроэнергии.
  13. Кристаллический кремний – сырье для изготовления солнечных панелей. Самый распространенный и долговечный вариант на сегодня.
  14. Аморфный кремний – состав, нанесенный на поверхность методом испарения и закрытый защитным составом.
  15. Полупроводники – вещества, которые при определенных условиях могут проводить ток. Сюда относится большинство новых материалов, используемых при производстве солнечных батарей.
  16. Инвертор – устройство для преобразования постоянного тока в переменный.
  17. Контроллер – регулирует выходное напряжение с солнечных модулей для правильной зарядки аккумуляторов.
Как работают солнечные батареи

Карта инсоляции на территории России.

Это только самые распространенные термины, есть и дополнительные варианты. Но даже знание основ поможет намного лучше разобраться в теме.

Как устроена

Схема получения энергии СБСистема СБИтак, солнечная батарея – система взаимосвязанных элементов, структура которых позволяет, используя принцип фотоэффекта, преобразовывать попадающий на них под определённым углом солнечный свет в электрический ток.

Система, преобразующая солнечный свет в электрическую энергию состоит из следующих комплектующих элементов:

  1. Материал-полупроводник (плотно совмещённые два слоя материалов с разной проводимостью). Это может быть, например, монокристаллический или поликристаллический кремний с добавлением других химических соединений, позволяющих получить нужные для возникновения фотоэффекта свойства.

    Для возникновения перехода электронов из одного материала в другой необходимо, чтобы один из слоёв имел избыток электронов, а другой – их недостаток. Переход электронов в область с их недостатком называют p-n переходом.

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

Схематическое изображение СБСхема работы солнечной панелиФотоны света (солнечный свет), попадающие на поверхность полупроводника при столкновении с его поверхностью передают свою энергию электронам полупроводника. Выбитые вследствие удара из полупроводника электроны преодолевают защитный слой, имея дополнительную энергию.

Таким образом, отрицательные электроны покидают p-проводник, переходя в проводник n, положительные – наоборот. Такому переходу способствуют существующие в проводниках на тот момент электрические поля, которые в последствие увеличивают силу и разность зарядов (до 0.5 В в небольшом проводнике).

Намереваясь приобрести солнечную батарею или изготовить её, тщательно просчитайте:

  • стоимость такой батареи и необходимого оборудования;
  • необходимое вам количество электрической энергии;
  • количество необходимых вам батарей;
  • число солнечных дней в году в вашем регионе;
  • необходимую вам площадь для установки солнечных батарей.

Сила тока

Сила электрического тока в солнечном элементе зависит от таких факторов, как:

  • количество света, попавшего на поверхность элемента;
  • интенсивность излучения источника света;
  • площадь принимающего фотоны элемента;
  • угол падения света на принимающий элемент;
  • время эксплуатации элемента;
  • КПД системы (в настоящее время у самых передовых аналогов он составляет не более 24%. О КПД солнечных батарей Вы можете прочитать в этой статье.);
  • температура окружающего воздуха (чем выше она, тем больше у элемента сопротивление).

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

Элементы для улучшения работы

Солнечный трекерСБ на солнечном трекереДля организации более эффективной работы фотоэлементов в конструкции солнечной батареи используют диод Шоттки.

Он представляет собой диод полупроводникового типа, который имеет меньше по сравнению с другими конструкциями падение напряжения при включении напрямую.

Он работает на основе использования перехода p-n типа в среде “металл-проводник”. Сравнение с кремниевыми диодами показывает, что прямое напряжение снижается в среднем с 0,65 В до 0,35 В, что способствует росту КПД системы.

Для более эффективного попадания солнечного света на поверхность батареи разработано и используется специальное устройство – солнечный трекер. Данное устройство предназначено для слежения за движением Солнца и поворота солнечной панели (батареи) таким образом, чтобы на её поверхность попадало как можно больше солнечных лучей (оптимизация угла падения лучей).

Для более рационального соединения двух и более панелей солнечных батарей и получения нужного сопротивления в такой системе используются специальные сертифицированные коннекторы, например МС4 Т (male+female).

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

Преимущества и недостатки

Положительными чертами данного вида выработки энергии являются:

  • экологичность (не загрязняет окружающую среду);
  • долговечность (при бережном использовании фотоэлементы прослужат несколько десятков лет);
  • достаточно простой принцип работы.

Минусами системы являются:

  • сложность сборки самой системы и наладки её работы;
  • низкий КПД (требуется очень большая площадь солнечных батарей для обеспечения нужд даже небольшой семьи. Для 3-4 чел, потребляющих 200 Кв в месяц, нужно 12-15 кв. метров батарей);
  • достаточно высокая стоимость и низкая окупаемость системы.

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.

Коротко о главном

Солнечные батареи – альтернативный источник энергии, имеющий вид панелей (стационарных или гибких, переносных). Составной частью панелей служат полупроводниковые элементы, способные преобразовывать энергию солнца в постоянный ток. Особенность солнечных батарей состоит в том, что они не могут работать круглосуточно, поэтому нуждаются в дополнительном оборудовании: аккумуляторе и инверторе (для преобразования постоянного тока в переменный).

По способу работы различают автономные и комбинированные системы. Наиболее популярный продукт на энергорынке – это моно- и поликристаллические системы. При выборе подходящей модели важно учесть мощность, подсчитать ценовые затраты. Если вы собираетесь продавать излишки энергии, для подключения к сети необходимо приглашать электрика.

Прочитать позже

Отправим материал на почту

Заказывайте монтаж инженерных коммуникаций любой сложности у профессионалов

Оставить заявку

Использование солнечной энергии в мире

Немецкий комплекс СБКомплекс солнечных батарей в ГерманииМногие государства всерьёз задумались о масштабном производстве и использовании солнечной энергии.

Лидерами по производству энергии с помощью солнечных батарей являются США, Япония и Германия.

Производство солнечной энергии получает своё развитие и в России.

В настоящее время в РФ уже построено следующее количество установок по производству солнечной энергии:

  • Краснодарский край – 46 ед.;
  • Дагестан – 8 ед.;
  • Ставропольский край – 2 ед.;
  • Бурятия, Хабаровский край, Костромская область – по 1 ед.

Бурное развитие данной отрасли во всем мире оставляет надежду на то, что в будущем этот неисчерпаемый источник экологичной энергии станет основным для населения планеты.

Смотрите видео, в котором подробно рассказывается об устройстве и производстве солнечных панелей:

  • Автор: DmitriiG
  • Распечатать
Оцените статью:

(13 голосов, среднее: 3.6 из 5)

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.

Особенности эксплуатации

В облачную погоду, когда солнечного света мало, аккумуляторная батарея заряжается не так интенсивно. В то же время она отдает электроэнергию потребителю – работает в режиме зарядки и разряда. Контролирует этот процесс контроллер.

Обслуживание и серьезные профилактические работы батареям не требуются – достаточно время от времени протирать их от пыли.

Панели актуальны и зимой, правда на этот период их производительность падает в 1.5 – 2 раза. Панели ставят под наклоном в 70°, чтобы на них не задерживался снег.

Использование солнечных батарей зимойИспользование солнечных батарей зимой.

Солнечные батареи – оптимальный выбор для автономных систем, где много потребителей электроэнергии, не работающих в постоянном режиме. Солнечная энергетика, как отрасль, бурно развивается, и есть вероятность, что в будущем энергия солнца станет основной для человека.

Видео

Как устроена солнечная батарея, расскажет наше видео.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...