Как работает солнечная батарея для дома

СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ – ВИДЫ И ПРИМЕНЕНИЕ

Современная солнечная батарея как альтернативный источник электроэнергии была создана в середине прошлого века. Солнечная батарея – это устройство, которое преобразует энергию солнечного света в постоянный электрический ток.

Здесь работает физический закон фотоэффекта: некоторые вещества под воздействием фотонов (частиц света) начинают вырабатывать электрическую энергию.

На основе этого закона были разработаны компактные полупроводниковые устройства – фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы). Наиболее распространены и доступны фотоэлементы из кремния.

Стандартная комплектация солнечной батареи включает:

  • солнечные панели, состоящие из фотоэлектрических элементов-преобразователей;
  • инвертор, преобразующий постоянный электрический ток в переменный;
  • аккумулятор либо систему аккумуляторов, накапливающих электроэнергию;
  • контроллер, обеспечивающий полный заряд аккумулятора и защищающий его от перегорания.

КОМПЛЕКТ ОБОРУДОВАНИЯ

Рассмотрим составляющие фотоэлектрической системы подробнее.

Солнечные панели.

Панели состоят из полупроводниковых кремниевых фотоэлементов, соединительных проводов и корпуса. Входящие в них фотоэлектрические преобразователи бывают двух основных видов:

  • монокристаллические, изготовленные из искусственно выращенного кристалла кремния, нарезанного на пластины;
  • поликристаллические, полученные из обрезков, оставшихся от монокристаллических элементов, методом длительного охлаждения кремниевого расплава.

Монокристалл имеет однородную структуру поверхности и выглядит как квадрат со срезанными углами. Его КПД выше, чем у поликристалла, и достигает 20-22%, а стоимость дороже примерно на 10%. Лучи света, попадающие на его поверхность, не рассеиваются, а распределяются равномерно, вызывая направленное беспрепятственное движение свободных электронов.

Поликристалл имеет вид плоского квадрата с неоднородной поверхностью и цветовой гаммой, переливающейся синими и голубыми оттенками. Его КПД находится в пределах 17-18%, поскольку он состоит не из чистого кремния, а с примесями, и из разных кристаллов.

Вместе с тем, у поликристаллов есть свои преимущества: у них медленнее снижается мощность по мере увеличения эксплуатационного срока (2% против 3% в первый год работы).

Это устройство, которое преобразует постоянный электрический ток, вырабатываемый солнечными батареями и равный 12 или 24 вольтам, в переменный ток 220 В, который используется для подключения и работы всех бытовых приборов. КПД инвертора составляет около до 96%, так что 4% – это гарантированные потери.

Аккумулятор.

Аккумуляторы предназначены для перераспределения полученной солнечной энергии, поскольку она поступает неравномерно в течение суток: в полдень возможен ее переизбыток, а ночью выработка прекращается. Аккумулятор накапливает электричество в течение светлого времени суток и отдает его в вечерние и ночные часы.

Их мощности хватает на электропитание одного дома, однако они рассчитаны на эксплуатацию в совершенно иных условиях. Разряд более чем на 30% является для них экстремальным, в то же время они выдают высокий пусковой ток, в чем в данном случае нет никакой необходимости.

В таком режиме, когда в первой половине суток батарея заряжается, а во второй – отдает энергию, автомобильный аккумулятор прослужит не более года, причем его емкость будет уменьшаться, и вероятность внезапной поломки – увеличиваться.

В солнечных батареях используют два типа аккумуляторов, кислотные и гелевые. Последние эффективнее, лучше переносят сильный разряд, но стоят дороже. Батарея не должна разряжаться на 100%, остаточный заряд должен быть не менее 40% (зависит от типа батареи), и чем выше этот процент, тем больше прослужит аккумулятор.

Полностью обеспечить электропитание всех устройств и приборов в доме с помощью современных аккумуляторов невозможно, это выльется в слишком большую сумму. Поэтому к ним не подключают стиральные машины и пылесосы, а только осветительные приборы, холодильники, компьютеры.

Аккумуляторы – самое слабое звено современных систем альтернативного энергоснабжения.

Этот прибор обеспечивает полную зарядку аккумулятора и защищает его от перезарядки и закипания. Поскольку панели вырабатывают электричество только в световое время суток, а основной пик потребления приходится на вечерние часы, подключать панели к аккумуляторам напрямую нельзя – выйдет из строя и то, и другое.

Существует три типа контроллеров, отличающихся функциональностью и ценой:

  1. ON/OFF – самый простой и элементарный, который просто отключает поступление энергии с панели при достижении максимального заряда батареи. Срабатывает при 70% уровне заряда, и батарея быстро выходит из строя. Используется в основном для тестирования системы.
  2. ШИМ или PWM – обеспечивает ступенчатую зарядку аккумулятора, переключая режимы заряда, которые выбираются автоматически в зависимости от уровня разрядки аккумулятора. Он заряжается до 100%, однако потери при зарядке составляют до 40%.
  3. MPPT – наиболее экономичный и усовершенствованный, работает по вычислительной технологии, сравнивая напряжение, подаваемое с панелей, с напряжением на аккумуляторе и выбирая оптимальное преобразование для получения максимального заряда. Его КПД составляет 93-97%.

СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ ДЛЯ ДОМА

При выборе солнечной батареи для дома нужно сравнить стоимость 1 кВт/час, получаемой от центральной энергосети, и стоимость 1 кВт/час, вырабатываемой панелями. Таким образом определяется целесообразность ее использования и величина экономического эффекта.

Солнечные станции подразделяются на три основные категории:

1. Автономные системы, не подключенные к сети электроснабжения и укомплектованные аккумулирующим устройством, которое, как было описано выше, предоставляет накопленную энергию во время низкой интенсивности и отсутствия солнечного света, а также в случае превышения потребляемой энергии над вырабатываемой.

2. Открытые системы, не имеющие аккумуляторов и подсоединенные к основной сети через специальный инвертор. Если расходуемая мощность ниже вырабатываемой, основная электросеть отключена. В противоположном случае отключается станция, и электропитание поставляет основная сеть. Однако если нет подключения к сети, такая батарея не работает.

3. Комбинированные системы, объединенный вариант первой и второй категории. Они наиболее дорогие, так как требуют сложных сетевых инверторов и зарядных устройств. Их преимущество в том, что накопленная или лишняя электроэнергия может поступать в основную сеть.

Цена фотоэлектрического элемента (главного компонента батареи) минимально приемлемого качества составляет примерно 50-60 руб. за один вырабатываемый ватт мощности. Значит, стоимость системы мощностью в 200 Вт обойдется в 12000 рублей. Комплектация станции будет зависеть от ее категории и требуемой мощности.

Солнечная батарея, укомплектованная самостоятельно и установленная в частном доме, рассчитанном на семью из 4 человек, окупается в среднем в течение 4-5 лет. При этом срок службы аккумуляторов составляет 5-7 лет, а самих фотоэлементов – 20-25 лет.

Чтобы рассчитать требуемую мощность станции, нужно посмотреть, сколько электричества расходуется по факту. Большое значение имеет, используется ли дом как летняя дача или как место постоянного проживания. Для расчета нужно взять среднемесячный расход электроэнергии: для этого нужно суммировать данные квитанций за последний год и разделить на 12.

Полученный результат следует умножить на 16 – это коэффициент, эмпирически рассчитанный для средней полосы России. Например, за год было расходовано 1525 кВт: 1525 / 12 х 16 = 2034 Ватт. Значит, мощность системы должна быть не менее 2100 Ватт/час.

Еще один вопрос – где крепить солнечные панели. Здесь возможны следующие варианты:

  • скат крыши, направленный на юг;
  • южная стена, свободная от тени деревьев, забора и других объектов;
  • свободное размещение – самый оптимальный вариант: в этом случае панели можно разместить во дворе на шарнирах и поворачивать их в течение дня таким образом, чтобы их поверхность находилась под 90% к солнечным лучам.

СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ ДЛЯ ДАЧИ

На дачах вопрос о целесообразности солнечных батарей возникает в следующих случаях:

  • отсутствует возможность подключения дачного дома к центральной электросети;
  • подключение стоит слишком дорого;
  • часто происходят сбои на подстанции;
  • выделенная мощность слишком мала и ее не хватает (типичная ситуация для садовых товариществ); есть желание сэкономить.

Хорошим вариантом будет стационарная система первой категории. Можно также использовать локальные установки. Например, солнечная батарея для светодиодного светильника обойдется примерно в 2000 руб. Можно подключить к батарее насос для полива мощностью в 200 Вт – такая система будет стоить примерно в 11000-12000 руб.

Однако станция требует постоянного контроля и наблюдения. Например, контакты, соединяющие провода от панелей с контроллером, нужно периодически зачищать и подключать заново, так они окисляются и начинают плохо проводить заряд.

В результате накапливается меньший запас электричества, и система не справляется с рассчитанной на нее нагрузкой: скорость разряда превышает скорость заряда. Также нужно правильно рассчитать, какие приборы можно включать одновременно, а какие – нет.

Тем не менее, собрать и использовать на даче бюджетную и эффективную автономную солнечную станцию вполне реально. Нужно только хорошо изучить вопрос и периодически проводить диагностику и профилактику.

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Солнечные батареи: сфера применения и принцип работы оборудования

Если раньше люди были зависимы от централизованного энергоснабжения, то сейчас у всех есть хорошая альтернатива – солнечные батареи. Такое оборудование идеально для установки в частных домах, дачах, на промышленных объектах. Электростанции стали доступнее по цене и разнообразнее по видам и мощности. В этой публикации мы детальнее рассмотрим принцип работы солнечной батареи, ее виды и преимущества использования в быту и на производстве.

Устройство и история появления солнечных батарей

Человечество уже давно задумывалось об использовании неиссякаемой энергии солнца. Первые попытки предпринимались еще в двадцатом веке. Тогда была разработана концепция термальной электростанции. Однако на практике она показывала очень низкую эффективность, ведь концепция подразумевала трансформацию энергии солнца. Проанализировав первую неудачу, ученые пришли к выводу, что необходимо использовать солнечные лучи напрямую. Такой принцип был открыт в 1839 году. Его основал Александр Беккерель. Однако до появления первых полупроводников прошло немало лет. Они были изобретены лишь в 1873 году. Этот год можно назвать началом работы над современными прототипами электростанций.

Если говорить о том, из чего состоит солнечная батарея, то изначально стоит упомянуть фотоэлементы. Их можно назвать маленькими генераторами. Именно они выполняют основную функцию – собирают энергию солнца. Сегодня есть несколько видов солнечных панелей, о которых будет рассказано в следующем разделе. Однако, независимо от вида, современная панель представляет собой основу определенного размера, на которой размещаются вышеупомянутые фотоэлементы. Эти элементы очень хрупкие, поэтому они дополнительно защищаются стеклом и полимерной подложкой.

Однако солнечные панели – это лишь часть всей электростанции. Также в нее входят другие элементы:

  1. Аккумуляторная батарея.
  2. Контролер заряда.
  3. Инвертор.
  4. Стабилизатор.

Каждый из перечисленных устройств выполняет свою функцию. Аккумулятор – накапливает и хранит добытую энергию, контролер – контролирует мощность, подключает и отключает батарею, анализируя уровень заряда. Инвертор называют еще преобразователем. Это оборудование превращает прямой ток в переменный. Благодаря ему электричество можно использовать для бытовых целей. Последней составляющей электростанции является стабилизатор. Он защищает всю систему от скачков напряжения.

Какие виды солнечных батарей существуют?

Есть несколько классификационных признаков, по которым все солнечные панели делятся на разные виды:

  1. Тип устройств.
  2. Материал изготовления фотоэлектрического слоя.

По типу устройства выделяют два вида: гибкие и жесткие. Первый тип отличается своей пластичностью. Такую панель можно легко скрутить в трубочку, ничего не повредив. Твердая панель не меняет своей формы. По материалу изготовления есть три вида: аморфные, поликристаллические, монокристаллические.

Аморфные батареи могут быть гибкими. Они непривередливы к месту установки, но КПД такого устройства очень низкий. Он составляет не более шести процентов. Поликристаллические изделия отличаются низкой ценой. Однако они более эффективны в пасмурную погоду. В очень жаркую погоду их выработка снижается чуть больше чем у монокристаллических модулей.

Если необходим максимальный эффект от электростанции, то следует отдавать предпочтение панелям с монокристаллическими элементами. Уровень их КПД достигает двадцати пяти процентов. Монокристаллические панели являются более дорогими, так как монокристаллический кремний при производстве требует больших энерго и временных затрат.

Сфера применения солнечных батарей

С разработкой новых технологий и развитием концепции питания от солнечной энергии сфера применения панелей стала довольно широкой. Раньше такие устройства обычно устанавливались на небольших частных домах или дачах. Они применялись исключительно в бытовых нуждах, так как потребляемая мощность была минимальная. Сейчас же есть мощнейшие электростанции, показывающие высокую эффективность работы. По этой причине сфера применения панелей стала больше.

Интересный факт! Энергии, которую выделает Солнце за одну секунду, может хватить для обеспечения электричеством всего человечества на пятьсот тысяч лет.

Солнечные батареи стали активно применяться на промышленных и коммерческих объектах, позволяя значительно экономить на их энергоснабжении. Также панели устанавливают на сельскохозяйственных предприятиях, на фермах, военно-космических объектах. Менее мощные панели применяются для изготовления различных приспособлений для быта: фонариков, калькуляторов, зарядных устройств, др. Они служат источником энергии там, где нет возможности подключиться к центральной сети. Такие приспособления пользуются большим спросом у охотников, рыбаков, любителей походов.

Важно! Солнечные электростанции современного образца будут эффективны везде: как в доме, так и на большом промышленном объекте. Однако для этого они должны быть правильно подобраны по необходимой мощности. Расчет данного параметра должен осуществляться специалистом.

Как работает солнечная панель: принцип работы устройства простым языком

Если предстоит покупка солнечных батарей, то нужно обязательно ознакомиться не только с их устройством, но и с принципом работы. Итак, как работает солнечная панель? Несмотря на внешнюю простоту устройства, принцип работы такой электростанции довольно сложный. Он основан на фотоэлектрическом эффекте, который достигается при помощи фотоэлементов.

Солнечные панели собирают лучи. Они попадают на фотоэлектрический слой. Солнечный свет приводит к высвобождению электронов из двух слоев. На освободившиеся место из первого слоя встают электроны второго слоя. Происходит постоянное движение электронов, что приводит к естественному образованию напряжения на внешней цепи. В результате один из фотоэлектрических слоев приобретает отрицательный заряд, а второй – положительный.

Эти действия приводят в работу аккумулятор. Он начинает набирать и хранить заряд. При этом уровень заряда аккумулятора постоянно контролируется. Если он низкий, контролер включает в работу солнечную панель. В случае высокого заряда это же устройство панель отключает. Далее включается в работу инвертор. Он преобразовывает ток из постоянного в переменный. С его помощи на выходе электростанции появляется напряжение в 220 В. Это дает возможность подключать и питать от электростанции бытовые приборы.

Подключение солнечной панели

Эффективность и правильность работы солнечных батарей зависит не только от их вида, мощности, но и от установки и подключения. Должна быть разработана правильная схема подключения всех элементов электростанции и грамотно выбрано место для установки солнечных панелей. Такую работу можно доверять только профессионалам.

Не секрет, что выходное напряжение одной панели относительно невысокое. Обычно используются несколько батарей одновременно. Все панели должны подключаться параллельно-последовательным способом. Такой тип подключения позволяет обеспечивать максимальную эффективность работы оборудования.

Преимущества, недостатки панелей

Солнечные батареи стали дешевле, что сделало их доступнее для более широкого круга потребителей. Однако перед покупкой каждый человек должен детально ознакомиться с преимуществами и недостатками этого источниками энергоснабжения. Среди его неоспоримых достоинств стоит отметить следующие:

  • экологическая безопасность. В наше время экология – это одна из насущных проблем. Солнечные электростанции работают без вреда окружающей среде. Они не выделяют при работе вредных веществ;
  • быстрая окупаемость. Стоимость электричества, как для бытовых пользователей, так и для предприятий, постоянно растет. С установкой панелей удается полностью или частично перейти на альтернативный источник энергии, являющийся абсолютно бесплатным и доступным каждому. Благодаря этому, покупка и установка оборудования окупается за считанные годы работы;
  • легкость использования электростанции. Несмотря на сложное устройство и принцип работы, эксплуатировать станцию довольно просто. Главное – следить за исправностью ее составляющих и не экономить на обслуживании, которое требуется не так часто;
  • быстрая установка. Профессионалы монтируют все элементы станции буквально за несколько часов или дней (в зависимости от количества панелей, мощности, др.). Больше времени занимает подбор составляющих и покупка оборудования.

Недостатки у таких установок тоже имеются. Самый основной заключается в дороговизне оборудования. Однако не стоит забывать, что большой вклад при покупке быстро окупится многолетним бесплатным использованием энергии солнца. Вторым серьёзным недостатком солнечных панелей является их зависимость от внешних факторов. Эффективность их работы зависит от погоды, температурных условий, положения по отношению к Солнцу, от чистоты поверхности.

Как достичь максимальной эффективности работы батарей?

Солнечную электростанцию имеет смысл ставить только в регионах с длительным световым днем. Там, где день короткий, можно применять панели только в качестве дополнительного источника света, но не основного. Как уже было замечено, разные виды солнечных батарей имеют свой КПД. Чтобы добиться максимального эффекта, следует выбирать устройства с максимальной производительностью, несмотря на их дороговизну.

Большую роль будет играть правильность расчета мощности всей установки. Это позволит подобрать необходимый размер и количество панелей, мощность других комплектующих станции. Также залогом эффективной работы панелей является мощный аккумулятор. В системе должно быть два аккумулятора, особенно в зимнее время года. Второй аккумулятор позволит накапливать достаточно энергии для обеспечения электричеством объекта в короткие световые дни.

Нельзя забывать и о других факторах, которые влияют на работу станции. Панели должны быть расположены под правильным углом, их нужно обязательно держать в чистоте. В противном случае, КПД батарей будет значительно снижаться.

Как устроены и работают солнечные батареи

Солнечная энергетика становится все более популярной во всем мире. Вместе с коллегами из специализированного портала Elektrik мы разбирались, как устроена солнечная батарея, из чего она состоит и куда отправляется получаемая энергия.

В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях (в научной литературе они называются фотоэлектрическими панелями).

Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи – это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании.

В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: непосредственно, солнечной батареи (генератора постоянного тока), аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.

Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей.

Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые – 15%.

Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею.

Электродвижущая сила отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока.

Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую либо нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки. Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением Pн = IнUн, где Uн напряжение на зажимах батареи.

Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему коэффициенту полезного действия (кпд) преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности.

Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток.

Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит в выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи.

Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а электродвижущая сила – последовательно включенных солнечных элементов. Так, комбинируя типы соединения, собирают батарею с требуемыми параметрами.

Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает.

Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи.

При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов они шунтируются и ток через них не идет.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока.

Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.

При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда.

Это процесс контролируется специальным контроллером. При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда.

При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.

Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов – гелевых (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовыех батарей, которые сделанны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей – 10 – 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается!

Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность.

Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечной батарей можно использовать специальные устройства – инверторы.

Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.

Солнечные батареи: как это работает

Поделитесь в соцсетях:

  • Нажмите, чтобы поделиться на Twitter (Открывается в новом окне)
  • Нажмите здесь, чтобы поделиться контентом на Facebook. (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться на LinkedIn (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться записями на Pocket (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться в Telegram (Открывается в новом окне)

Солнечные батареи уже сейчас используются для питания самой разнообразной техники: от мобильных гаджетов до электромобилей. Как устроены, какими бывают и на что способны современные солнечные батареи, вы узнаете из этой статьи.

История создания

Так исторически сложилось, что солнечные батареи – это уже вторая попытка человечества обуздать безграничную энергию Солнца и заставить ее работать себе на благо. Первыми появились солнечные коллекторы (солнечные термальные электростанции), в которых электричество вырабатывает нагретая до температуры кипения под сконцентрированными солнечными лучами вода.

Солнечная термальная электростанция в испанском городе Севилья

Солнечные же батареи производят непосредственно электричество, что намного эффективнее. При прямой трансформации теряется значительно меньше энергии, чем при многоступенчатой, как у коллекторов (концентрация солнечных лучей, нагрев воды и выделение пара, вращение паровой турбины и только в конце выработка электричества генератором).

Современные солнечные батареи состоят из цепи фотоэлементов – полупроводниковых устройств, преобразующих солнечную энергию напрямую в электрический ток. Процесс преобразования энергии солнца в электрической ток называется фотоэлектрическим эффектом.

Данное явление открыл французский физик Александр Эдмон Беккерель в середине XIX века. Первый же действующий фотоэлемент спустя полвека создал русский ученый Александр Столетов. А уже в двадцатом столетии фотоэлектрический эффект количественно описал не требующий представления Альберт Эйнштейн.

Беккерель, Столетов и Эйнштейн – именно этому «трио» ученых мы обязаны созданием солнечных батарей

Принцип работы

Полупроводник – это такой материал, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо наоборот, их не хватает (p-тип). Соответственно, полупроводниковый фотоэлемент состоит из двух слоев с разной проводимостью. В качестве катода используется n-слой, а в качестве анода – p-слой.

Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Именно лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку (в данном случае аккумулятор) и возвращаясь в n-слой.

Схема работы фотоэлемента

Первым в истории фотоэлектрическим материалом был селен. Именно с его помощью производили фотоэлементы в конце XIX и начале XX веков. Но учитывая крайне малый КПД (менее 1 процента), селену сразу же начали искать замену.

Массовое же производство солнечных батарей стало возможным после того как телекоммуникационная компания Bell Telephone разработала фотоэлемент на основе кремния. Он до сих пор остается самым распространенным материалом в производстве солнечных батарей. Правда, очистка кремния – процесс крайне затратный, а потому мало-помалу пробуются альтернативы: соединения меди, индия, галлия и кадмия.

Селен – исторически первый, а кремний – самый массовый материал в производстве фотоэлементов

Понятное дело, что мощности отдельных фотоэлементов недостаточно, чтобы питать мощные электроприборы. Поэтому их объединяют в электрическую цепь, тем самым формируя солнечную батарею (другое название – солнечная панель).

На каркас солнечной батареи фотоэлементы крепятся таким образом, чтобы их в случае выхода из строя можно было заменять по одному. Для защиты от воздействия внешних факторов всю конструкцию покрывают прочным пластиком или закаленным стеклом.

Мобильный телефон Samsung E1107 оснащен солнечной батареей

Существующие разновидности

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

Наручные часы Citizen Eco-Drive с солнечной батареей вместо циферблата

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

Монтаж солнечных панелей на крыше жилого дома

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

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

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

Портативная солнечная панель Solarland мощностью 130 Вт и стоимостью $860

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

Беспилотный самолет, разработанный NASA Ames Research Center, способен на солнечной энергии пролететь от восточного побережья США до западного

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

Солнечную батарею Voltaic можно носить у себя за спиной

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

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

Крупнейшие производители

Лидерами глобального производства солнечных батарей являются компании Suntech, Yingli, Trina Solar, First Solar и Sharp Solar. Первые три представляют Китай, четвертая – США, а пятая, как нетрудно догадаться, является подразделением японской корпорации Sharp.

Гольфкар на солнечных батареях – бесшумное и экологически чистое средство передвижения

Американская компания First Solar не только производит солнечные батареи, но и принимает непосредственное участие в проектировании и строительстве солнечных электростанций. Мощнейшая в мире СЭС Агуа-Калиенте, которая находится в штате Аризона, США – дело рук инженеров First Solar.

Крупнейшую же украинскую СЭС «Перово» строила и снабжала солнечными панелями австрийская компания Activ Solar.

Китайская же компания Suntech прославилась тем, что готовила к летней Олимпиаде-2008 футбольный стадион под названием «Птичье гнездо» в Пекине. Вырабатываемая на протяжении дня с помощью солнечных батарей электроэнергия аккумулируется, а затем используется для освещения стадиона, полива травы на футбольном поле и работы телекоммуникационного оборудования.

Национальный стадион в Пекине густо усеян солнечными батареями производства Suntech

Выводы

Еще два десятилетия назад диковинкой казались микрокалькуляторы с фотоэлементами, что позволяло не менять в них «батарейку-таблетку» годами. Сейчас же мобильные телефоны со встроенной в заднюю крышку солнечной панелью никого не удивляют. А ведь это мелочь в сравнении с автомобилями и самолетами (пусть и беспилотными), которые научились передвигаться при помощи одной лишь солнечной энергии.

Будущее солнечных батарей видится точно таким же светлым, как само солнце. Хочется верить, что именно солнечные батареи позволят наконец-то вылечить смартфоны и планшеты от «розеткозависимости».

Как выбрать солнечные батареи. Советы покупателю

Солнечная батарея – устройство, преобразующее солнечное излучение в электрическую энергию. Впервые метод работы солнечной батареи был разработан 1839 году физиком Александром Беккерелем. Практическое применение метод получил в 1873 после изобретения первого полупроводника. Технология использования энергии солнца в целях ресурсообеспечения приобретает все большую популярность по всему миру. Получаемый вид энергии является возобновляемым, финансовые затраты при эксплуатации солнечных батарей очень низкие – средства требуются только на покупку и установку оборудования. Энергия, вырабатываемая этим источником, является дешевой и доступной и благодаря этому широко используется по всему миру. И если вы решили приобщиться к обществу “зеленой энергетики”, то начать надо из того, чтобы разобраться – как правильно выбрать солнечные батареи для частного дома, дачи или даже квартиры.

Как устроены солнечные батареи?

Стандартная солнечная батарея состоит из алюминиевой рамы, солнечных элементов, специального стекла, подложки, токоведущих жил и распределительной коробки.

Рис. 1 Устройство солнечной батареи

Рама панели – алюминиевая конструкция, придающая жесткость изделию и образующая основу для остальных деталей батареи. Солнечные элементы – кремниевые полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи, выращиваемые, как правило, монокристаллическим или поликристаллическим методом. Использование полупроводниковых преобразователей дает возможность прямого, одноступенчатого преобразования энергии, что позволяет использовать солнечные батареи наиболее эффективно.

В солнечной батарее используется фотовольтаический эффект, возникающий в неоднородных полупроводниковых структурах при контакте с солнечным излучением. Неоднородность полупроводникового слоя солнечной батареи достигается легированием одного полупроводникового слоя различными примесями или соединением нескольких слоев полупроводников с различной шириной запрещенной зоны – созданием гетеропереходов. Также методом получения неоднородных кремниевых полупроводников является изменение химического состава полупроводника. Эффективность использования фотопроводника характеризуется оптическими свойствами проводника, одним из которых является фотопроводимость. Потери энергии при работе солнечных батарей связаны с несколькими процессами: частичным отражением солнечных лучей от поверхности преобразователей; прохождением части лучей, через фотопреобразователи без поглощения в них; рассеянием избыточной энергии фотонов на тепловых колебаниях решетки; внутренним сопротивлением преобразователей.

Выбор параметров солнечной батареи

При выборе солнечной батареи перед покупателем встает вопрос «Как выбрать подходящую солнечную батарею?» Существует несколько видов фотоэлементов, имеющих свои преимущества и недостатки:

  1. Поликристаллические элементы, в которых полупроводник производится поликристаллическим способом, этот метод удешевляют солнечную батарею, но снижают эффективность её работы. КПД элементов составляет 17-19%.
  2. Монокристаллические. Если элементы выращиваются монокристаллическим способом, то КПД фотоэлементов составляет 20-21%. Стоимость батарей при таком способе производства кремния увеличивается, но площадь фотоэлементов для получения энергии того же количества снижается. Готовые солнечные батареи, изготовленными поликристаллическим способом имеют КПД 13-17 %, а с фотоэлементами, изготовленными монокристаллическим способом – КПД 15-18,5%,
  3. Аморфные. Самым низким КПД (4-6%) обладают солнечные батареи, в которых фотоэлементы изготавливают из аморфного кремния.
  4. Арсенид галлиевые. Для изготовления высокоэффективных преобразователей в настоящее время широко используются GaAs – Арсенид галлия, имеющий гетероструктуру и более широкую запрещенную зону, это позволяет увеличить КПД солнечных батарей до 35-40%, правда такой тип элементов имеет очень высокую цену и используется только в космической отрасли.

Рис. 2 Типы солнечных элементов

На что обратить внимание при выборе солнечных батарей?

При выборе солнечных батарей для частного дома или дачи необходимо обратить внимание не только на КПД батареи, которое в современных конструкциях на основе кремниевых элементов, ограничивается величиной 20-21%, но и на суммарную мощность купленной солнечной электростанции. Она должна обеспечить электроэнергией, достаточной для потребления электросистемой дома в любую погоду.

Зимой сильно снижается длительность светового дня, поэтому в регионах, где это наблюдается, необходимо делать запас мощности, чтобы батарей хватало на то время, когда солнце менее активно. Почему выработка зимой меньше? Не нужно думать, что из-за холода батарея будет хуже работать. Негативное действие на эффективность работы оказывают осадки в виде снега, которые необходимо удалять и меньшая продолжительность светового дня с высокой облачностью – именно это негативно влияет на выработку электроэнергии в зимнее время. Летом солнечная батарея генерирует меньшее напряжение, чем зимой. В жару температура на поверхности гелиопанели может достигать 50–55 °С, что снижает эффективность фотогальванических элементов.

Еще один важный момент при составлении плана “Как выбрать солнечные батареи для домашней электростанции” – эффективность финансовых вложений. Многие батареи при правильном выборе окупаются достаточно быстро, так как производимая при использовании энергии солнца электроэнергия является бесплатной. Выходное номинальное напряжение солнечных батарей кратно 12В и 24В, но бывают и 20В – это панели с 60 элементами. Фактическое напряжение на выходе гелиопанелей, как правило больше номинального. Так гелиопанель с выходным номинальным напряжение, равным 12В, в точке максимальной мощности выдает 17В, а при холостом ходе выдает 23В. Аналогично работают и батареи с номинальным напряжением на выходе 20 В и 24В. Двадцативольтовая батарея выдает напряжение на выходе 30В точке максимальной мощности и 39В – в режиме холостого хода, а двадцатичетырехвольтовая соответственно – 37В и 45В.

Типовые ошибки при выборе солнечных батарей для дома

Собирая себе солнечную электростанцию самостоятельно, чаще всего допускаются ошибки связанные с подбором оборудования, отметим основные из них:

  • Не правильно подобранное напряжение аккумуляторов и солнечных батарей, используемых в одной системе;
  • Использование ШИМ контроллера с 60 ячейковой солнечной панелью;
  • Не учтенный температурный коэффициент, связанный изменением напряжения, при изменении температуры;
  • Использование разных аккумуляторов, при последовательном подключении;
  • Неверно подобранное сечение перемычек между инвертором и АКБ;
  • Пренебрежение защитными устройствами.

После подбора оборудования ошибки дилетантов не заканчиваются, поскольку впереди монтаж. При установке солнечной электростанции своими руками ошибки чаще допускаются такие:

  • Неправильная пространственная установка самих солнечных батарей;
  • Падение тени на ячейки от деревьев и соседних построек;
  • Неверное подключение оборудования. Если в системе даже всего два АКБ, последовательное соединение могут перепутать с параллельным. Не говоря уже о нескольких АКБ, когда требуется сделать последовательно – параллельное соединение. Это касается и подключения солнечных батарей;
  • Плохой контакт в электрических соединениях. Касаемо изготовления перемычек кустарным способом, без применения специального инструмента. Применение скрутки, пайки коннекторов MC4 и другие ненадежные соединения.

Это только самые распространенные ошибки, но на практике их гораздо больше. Если вы решили собирать солнечную электростанцию самостоятельно, проконсультируетесь со специалистами, это поможет избежать ошибки, сэкономить деньги и да, консультацию у нас можно получить бесплатно.

Мнения экспертов о продукции

Выбор типа солнечной станции зависит от задачи, которую необходимо решить с помощью альтернативных источников энергии.

В настоящее время наиболее широко применяются три типа солнечных электростанций:

  1. Автономные. В местах, где нет подключения к центральной сети, в садах, на дачах, автономные солнечные электростанции самые востребованные, хорошо подходят для освещения и других жизненно важных электроприборов. Применение автономных солнечных станций позволяет существенно экономить финансы, на жидкое топливо для генераторов, особенно в районах с большим количеством солнечных дней.
  2. Комбинированные с сетью. Если есть центральная сеть, то не нужно отказываться от нее, лучше сделать систему совместную с сетью. Автоматическая работа инвертора, входящего в состав такой станции, будет самостоятельно выбирать источник питания электрических приборов. А входящие в состав аккумуляторные батареи будут источником резервного электроснабжения, при отключениях сети.
  3. Сетевые on-grid. Сетевые солнечные электростанции самые выгодные и быстро окупаемые, поскольку не имеют в составе аккумуляторных батарей и преобразование энергии происходит с высоким КПД. Более того, позволяют передавать (продавать) излишки генерируемой электроэнергии в сеть, тем самым ускоряя процесс окупаемости. Во многих странах при такой генерации с помощью возобновляемых источников для продажи электроэнергии действует «зеленый тариф». В РФ в 2019 году принят в первом чтении Федеральный закон №581324-7 «О внесении изменений в ФЗ «Об электроэнергетике» в части развития микрогенерации», который позволит реализовывать электрическую энергию, вырабатываемую альтернативными источниками, по специальному тарифу. Покупка гарантирующим поставщиком электроэнергии от объектов микрогенерации будет обязательной. Цена купли-продажи будет равна средневзвешенной нерегулируемой цене на электроэнергию на ОРЭМ. Доходы физических лиц, возникшие при реализации лишней электроэнергии, произведенной для нужд своего домохозяйства, не будут подлежать налогообложению.

Независимо от выбранного типа солнечной электростанции, стоит понимать, что для надежной и эффективной работы лучше приобретать высококачественные солнечные батареи. Несмотря на более высокую стоимость они более эффективны и долговечны. Срок службы батарей может достигать 30 и более лет. Покупатели часто задают вопрос: «Почему выработка зимой меньше?» Не нужно думать, что из-за холода батарея будет хуже работать. Негативное действие на эффективность работы оказывают осадки в виде снега, которые необходимо удалять, плюс меньшая продолжительность светового дня с высокой облачностью – именно это негативно влияет на выработку электроэнергии в зимнее время. Летом солнечная батарея генерирует меньшее напряжение, чем зимой. В жару температура на поверхности гелиопанели может достигать 50–55 °С, что снижает эффективность фотогальванических элементов.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий