Как работает солнечная батарея? виды и устройство.

Виды солнечных панелей

Солнечные батареи функционируют долго, могут вырабатывать постоянный ток, даже если погода пасмурная. Вместе с тем появляется возможность предупредить возникновение скачков напряжения. Как результат, техника на объекте, подключенная к такому источнику электроэнергии, служит дольше, т. к. созданы более щадящие условия эксплуатации (исключается риск повышения, падения напряжения, отключение питания).

Модуль представляет собой панель, состоящую из нескольких преобразователей, объединенных между собой. Чтобы изменить характеристики солнечной батареи, добавляют такие конструкции. Но эффективность работы подобных устройств зависит не только от количества модулей, а еще и от того, насколько правильно была выполнена установка (учитывают углы наклона панелей, интенсивность солнечного освещения на участке). Модули представлены видами:

Монокристаллические. Производятся из чистого материала – монокристаллического кремния. Его отличает высокие показатели эффективности. Причем КПД солнечных элементов – около 22%, а панелей на их основе – не более 18%. Такие модули рекомендуется применять в местности, где уровень освещенности часто низкий.

Монокристаллическая солнечная панель

Поликристаллические. По стоимости они предпочтительнее, т. к. производятся из мультикристаллических пластин. Еще одна причина низкой цены – недостаточно высокая производительность. Рекомендуется применять такие модули, если в местности сравнительно одинаковый уровень освещенности в разное время, отсутствуют резкие перепады.

Поликристаллические солнечные панели

Аморфные. Другое название – тонкопленочные солнечные батареи. Они отличаются универсальным действием (применяются на разных объектах, в различных целях). Могут устанавливаться там, где жаркое солнце внезапно сменяется облачной погодой. Теоретически аморфные панели в будущем будут использоваться не только на крышах, но и на сумках, других бытовых изделиях. Минусом таких панелей является более низкая производительность, если сравнивать с поли-, монокристаллическими.

Тонкопленочные (аморфные) солнечные панели

Гетероструктурные. Считаются наиболее эффективными, их КПД достигает 25%. Панели вырабатывают электроэнергию при солнечной и пасмурной погоде. В России такую продукцию представляет марка «Хевел». Компания-производитель разрабатывает и внедряет собственную технологию производства гетероструктурных панелей.

Гетероструктурные солнечные панели

Основные элементы конструкции:

аккумулятор, позволяющая устранить перепады напряжения, вызванные изменением освещенности панели, а еще одна накапливает энергию;
инвертор – преобразователь тока (из постоянного в переменный);
контроллер: обеспечивает стабильную работу модуля, т. к. контролирует все параметры (температуру, зарядное напряжение аккумулятора и др.).

В продаже встречаются готовые системы, а также отдельные элементы для сбора с учетом собственных потребностей.

Виды

Сегодня из всего имеющегося ассортимента самой большой востребованностью пользуются 3 подвида солнечных батарей, которые сделаны из кремния.

Монокристаллические изделия. Их можно легко «опознать» по внешнему виду, так как эти панели имеют скошенные углы. Фотоэлементы имеют квадратную форму и черную расцветку. Они могут «смотреть» только в одну сторону. Их КПД можно назвать высоким — от 15 до 25%. Данные панели всегда должны быть повернуты своей лицевой стороной к источнику питания – солнцу. Если день выдался пасмурный, если солнце закатилось или пока еще не взошло, мощность устройства будет минимальным. При помощи этих панелей можно довольно эффективно использовать площадь, при этом получая максимальные параметры мощности.
Поликристаллические изделия. Это также квадратные пластины, имеющие темно-синий цвет, иногда имеют вкрапления кристаллов кремния. По сравнению с другими подвидами имеют большую площадь и отлично подходят для монтажа на масштабных поверхностях. КПД, правда, будет ниже — от 12 до 15%. Но такие батареи спокойно будут работать даже в самый ненастный день.

Аморфные кремниевые устройства. Этот вид батарей намного дешевле двух предыдущих подвидов. Каждая панель очень сильно похожа на пленку с фотоэлементами синего цвета. КПД у них совсем маленький — около 6-7%. Напыленные слои из кремния будут быстро прогорать под лучами солнца. Зато они хорошо поглощают рассеянный свет и ИК-лучи, поэтому можно без проблем устанавливать их в тех местах, где часто бывает слишком облачно. Из-за гибкой основы монтаж этих пластин довольно прост. Но они прослужат вам значительно меньший срок, чем монокристаллические и поликристаллические панели.
Микроморфные панели. Этот подвид представляет собой симбиоз аморфных устройств, в которых присутствуют микровкрапления кремниевых кристаллов. Их КПД будет составлять 8-12%, и для них характерен длительный срок эксплуатации.

Как сделать освещение на солнечных батареях своими руками

Чтобы соорудить прибор, нужно купить материалы и детали:

аккумуляторы с емкостью от 1500 мА/ч с выходом напряжения на клеммах 3,7 В;
солнечную панель напряжения 5,5 В/200 мА;
резисторы 47-56 Ом;
диоды КД 243А;
транзистор КТ261Г;
плата для вытравливания по определенной схеме.

Теперь нужно собрать светильник, оснастить его светодиодами мощностью 3Вт, а отражателем послужит старый компакт-диск.

Модернизация дешевого садового светильника на солнечных батареях, который обойдется примерно в 300 рублей, отнимет намного меньше сил и времени. Для увеличения длительности свечения в сеть следует встроить сопротивление 40-50 Ом. Нужно подрезать дорожку на плате, впаять резистор 5мА и собрать светильник.

Загрузка …

На выходе получается недорогой и очень практичный светильник, который среагирует на движение, осветит дорожку, крыльцо или подъездные пути. И все это без подключения к сети электропитания.

https://youtube.com/watch?v=CcIXT7KPjqM

https://youtube.com/watch?v=znKkQLf4IDk

Краткая история модифицирования: три поколения солнечных батарей

Специалисты разделяют все фотоэлектрические устройства, способные поглощать световые фотоны и преобразовывать их в электрический ток, на три поколения.

Из чего состоят солнечные батареи первого поколения

Конструктивно такие модули состоят из следующих элементов:

металлического листа-основы – базового контакта;
нижнего присадочного слоя кремниевого полупроводника с преобладанием электронов n-типа – за счет добавления фосфора;
верхнего кристаллического слоя, насыщенного электронами р-типа – обычно, путем легирования бором;
антиотражающего покрытия – для максимизации поглощения излучения;
тонкого металлизированного контакта сеточного типа с проводом для замыкания сети;
толстого защитного стекла – как правило, сверхпрочного закаленного;
обрамляющей рамы.

Толщина монокристаллических Mono-Si или поликристаллических Poli-Si кремниевых пластин в ячейках составляет около 200-300 мкм. Срок службы оценивается в 20-25 лет, с падением производительности в среднем на 0,5% ежегодно. КПД при идеальных условиях освещения достигает 22-24% и резко снижается при высоких температурах либо частичном падении освещенности.

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.

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.

Это интересно: Биогаз в домашних условиях — что нужно для его получения, монтаж и запуск реактора, правила безопасности, рентабельность

Как работают солнечные батареи

Солнечный свет попадая на элементы солнечных панелей, преобразуется в постоянный электрический ток. Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный ( в привычные нам 220в), а он, попадая в контроллер, отправляется к потребителям (бытовой технике, осветительных устройств). Аккумулятор же выполняет роль буфера между солнечными батареями и инвертером. Мощность инверторов может быть разной: 250-8000 Вт

Главные параметры, на которые следует обращать внимание: напряжение, мощность. Причем нужно не просто изучить характеристики, а соотнести эти параметры друг с другом

Отмечают наиболее подходящие варианты, исходя из напряжения (В) и мощности (Вт):

12 В, 600 Вт;
24 В, 600-1500 Вт;
48 В, от 1500 Вт и выше.

https://www.youtube.com/watch?v=6gicYfuIeI4
Принцип действия солнечных батарей

Существующие разновидности преобразователей:

Автономные. Функционируют без подключения к основной энергосети. При выборе автономных преобразователей учитывают мощность всей подключаемой техники. Дополнительно делают запас, т. к. некоторые устройства при включении создают повышенную нагрузку из-за существенных значений пусковых токов.
Синхронные. Модуль подключен к основной энергосети. Он также оснащен аккумуляторной батареей, имеет свойство накапливать энергию. Излишки «сбрасываются» обратно в сеть. При возникновении перебоев (отмечается недостаток электроэнергии), модуль снова получает требуемое количество от основного источника.

Существуют также многофункциональные устройства. Они объединяют возможности первого и второго варианта. Кроме того, различают преобразователи по форме сигнала напряжения:

синусоида: модули с таким элементами стоят дороже, т. к. обеспечивают более высокое качество тока, появляется возможность подключить крупногабаритную технику;
прямоугольный: недорогие преобразователи, чаще всего используются для обеспечения питания осветительных приборов, многие виды техники несовместимы с источниками напряжения данной формы;
псевдосинусоидальный: представители низкой ценовой категории, т. к. качество сигнала ниже, чем в первом случае, они подключаются к любым приборам.

Принцип работы солнечной электростанции в домашних условиях

Солнечная электростанция – это система состоящая из панелей, инвертора, аккумулятора и контроллера. Солнечная панель трансформирует лучистую энергию в электричество (как было сказано выше). Постоянный ток попадает в контроллер, который распределяет ток по потребителям (например, компьютер или освещение). Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный и обеспечивает работу большинства электрических бытовых приборов. В аккумуляторе накапливается энергия, которая можно расходовать в темное время суток.

Видео описание

Наглядный пример расчетов, показывающий, сколько панелей нужно для обеспечения автономного энергоснабжения, смотрите в этом видеоролике:

https://youtube.com/watch?v=ID34smUuqdA

Как солнечная энергия используется для получения тепла

Гелиосистемы применяются для нагревания воды и отопления жилища. Они могут давать тепло (по желанию владельца) даже тогда, когда отопительный сезон закончится, и обеспечивать дом горячей водой бесплатно. Простейшее устройство представляет собой металлические панели, которые устанавливают на крыше дома. Они аккумулируют энергию и согревают воду, которая циркулирует по скрытым под ними трубам. Функционирование всех гелиосистем основано на этом принципе, несмотря на то, что конструктивно они могут отличаться друг от друга.

Солнечные коллекторы состоят из:

бака-аккумулятора;
насосной станции;
контроллера;
трубопроводы;
фиттингов.

По типу конструкции различают плоские и вакуумные коллекторы. У первых дно покрыто теплоизоляционным материалом, а жидкость циркулирует по стеклянным трубам. Вакуумные коллекторы отличаются большой эффективностью, потому что теплопотери в них сведены к минимуму. Этот тип коллектора обеспечивает не только отопление солнечными батареями частного дома – его удобно использовать для систем горячего водоснабжения и подогрева бассейнов.

Принцип действия солнечного коллектораИсточник 21ek.ru

Этапы монтажа батарей

Для установки панелей выбирается самое освещенное место – чаще всего это крыши и стены зданий. Чтобы устройство функционировало максимально эффективно, панели монтируются под определенным углом к горизонту. Учитывается также уровень затемненности территории: окружающие предметы, которые могут создавать тень (постройки, деревья и т. п.)
Устанавливаются панели при помощи специальных крепежных систем.
Затем модули соединяются с аккумулятором, контроллером и инвертором, и производится наладка всей системы.

Для монтажа системы всегда разрабатывается персональный проект, который учитывает все особенности ситуации: как будет выполняться установка солнечных батарей на крыше дома, цена и сроки. В зависимости от вида и объема работ, все проекты рассчитываются в индивидуальном порядке. Клиент принимает работу и получает на нее гарантию.

Установка солнечных батарей должна производиться профессионалами и с соблюдением мер безопасностиИсточник pinterest.ca

Как итог – перспективы развития солнечных технологий

Если на Земле максимально эффективной работе солнечных батарей мешает воздух, который в известной мере рассеивает излучение Солнца, то в космосе такой проблемы не существует. Учеными ведется разработка проектов гигантских орбитальных спутников с солнечными батареями, которые будут работать 24 часа в сутки. От них энергия будет передаваться на наземные приемные устройства. Но это дело будущего, а для уже существующих батарей усилия направлены на повышение энергоэффективности и уменьшение размеров устройств.

Монокристаллические кремниевые солнечные элементы

Монокристаллические солнечные батареи представляют собой электрически соединенные элементы, изготовленные из тонких (240 мкм) пластин монокристалла кремния. Оптические оси ориентированы в одном направлении, используется материал высокой (более 99.99%) чистоты. Это обеспечивает максимальную эффективность преобразования. При теоретически возможном для кремниевого элемента КПД 30% у серийных образцов показатель достигает 18-24%.

Внешне монокристаллические батареи легко отличить – они имеют глубокий черный цвет, элементу в процессе порезки придается форма правильного квадрата (прямоугольника) со срезанными углами.

Технологий производства таких солнечных батарей – рекордсмен по стоимости среди кремниевых элементов. Высокая цена производства объясняется сложными процессами очистки сырья, выращивания монокристалла и его точной порезки.

Есть у таких элементов и другой серьезный недостаток – из-за точной ориентировки оптических осей кристаллов, оптимальную отдачу можно получить только при падении солнечных лучей перпендикулярно плоскости элемента. При существенном изменении угла освещения, а также в рассеянном свете наблюдается резкое снижение генерации.

2. Из чего сделаны солнечные батареи второго поколения

Следующее поколение батарей использует тот же физический принцип p/n перехода, однако создано на базе комбинаций редкоземельных элементов (реже – аморфного кремния). Вспомогательные конструкционные элементы панелей в большинстве случаев те же – металлическая основа, антиотражающая пленка и защитное стекло. Однако все чаще появляются и безрамные конструкции, а также тонкопленочные варианты, способные сворачиваться в рулоны и изгибаться под любыми углами.

Наиболее частыми полупроводниками для ячеек таких батарей служат:

аморфный кремний a-Si;
теллурид кадмия (CdTe);
селенид индия/галлия/меди (CIGS).

Иногда на предложение привести примеры, из чего делают солнечные батареи тонкопленочного типа, профильные специалисты приводят и другие, более экзотические варианты. Однако их совокупная доля не превышает 0,1% и используется преимущественно в лабораторных исследованиях.

Название «тонкопленочные» происходит от значительно меньшей толщины рабочих слоев – от 1 до 3 мкм, что почти в 100 раз меньше, чем у кремниевой «классики». КПД при идеальных условиях тонких пленок составляет 16-20%. Однако при рассеянном свете и/или больших углах падения излучения панели CdTe / CIGS могут быть более эффективны.

Солнечные коллекторы открытого типа

Конструкция открытых солнечных коллекторов выполнена в виде системы трубок, незащищенных от внешних воздействий. Внутри этой системы циркулирует теплоноситель, который нагревается непосредственно от солнечных лучей. Трубки фиксируются на несущей панели в виде змейки или с параллельной укладкой рядов и выходят к патрубку. Трубки могут заполняться водой, газом, воздухом или антифризом.

Отсутствие изоляции на трубках системы не позволяет сохранять полученную солнечную энергию, поэтому такие системы имеют очень низкий КПД. Их основное использование приходится на нагревание воды в бассейнах и душах в летнее время. Чаще всего коллекторами открытого типа пользуются жители теплых и солнечных регионов, где температура воздуха и нагреваемой воды не имеет существенных перепадов. Наибольшая эффективность работы была отмечена в солнечную погоду при отсутствии ветра. Дата: 25 сентября 2021

Площадь солнечной батареи и габариты отдельных ячеек

Гелио модуль представляет собой гибкую или жесткую конструкцию прямоугольной формы, основу которой составляют ряды полупроводниковых ячеек. Каждая из них генерирует напряжение около 0,5-0,6V и может иметь различные типоразмеры. Наиболее распространены следующие варианты габаритов (в миллиметрах):

52 × 19;
52 × 38;
52 × 150;
80 × 150;
26 × 156;
125 × 125;
156 × 156.

Например, модуль Sunways ФСМ-270П из 60 ячеек (по 10 в длину и 6 – ширину) размером 156 × 156 мм каждая имеет размеры, с учетом рамы, 1640 × 992 мм. Площадь такой солнечной панели составит чуть больше 1,6 м2.

При монтаже необходимо устанавливать модули таким образом, чтобы не допустить частичного затенения одним рядом батарей соседнего. В связи с этим на одну панель 250 – 400 ватт обычно выделяется 1,5 — 2 квадратного метра пространства.

Схема устройства солнечной электростанции

Рассмотрим, как устроена и работает гелиосистема для загородного дома. Главное ее назначение – преобразовать энергию солнца в электричество 220 В, которое является основным источником питания для домашних электроприборов.

Основные части, из которых состоит СЭС:

Батареи (панели), преобразующие солнечное излучение в ток постоянного напряжения.
Контроллер, регулирующий заряд АКБ.
Блок аккумуляторных батарей.
Инвертор, преобразующий напряжение АКБ в 220 В.

Конструкция батареи продумана таким образом, что позволяет оборудованию функционировать в различных погодных условиях, при температуре от -35ºС до +80ºС.

Выходит, что правильно установленные солнечные батареи будут работать с одинаковой производительностью и зимой, и летом, но при одном условии – в ясную погоду, когда солнце отдает максимальное количество тепла. В пасмурную эффективность работы резко снижается.

Эффективность СЭС в средних широтах велика, но не настолько, чтобы полностью обеспечивать электричеством большие дома. Чаще гелиосистема рассматривается как дополнительный или резервный источник электроэнергии

Вес одной батареи на 300 Вт равен 20 кг. Чаще всего панели монтируют на крышу, фасад или специальные стойки, установленные рядом с домом. Необходимые условия: разворот плоскости в сторону солнца и оптимальный наклон (в среднем 45° к поверхности земли), обеспечивающий перпендикулярное падение солнечных лучей.

При возможности устанавливают трекер, отслеживающий движение солнца и регулирующий положение панелей.

Верхняя плоскость батарей защищена закаленным противоударным стеклом, которое легко выдерживает удары града или тяжелые снежные наносы. Однако необходимо следить за целостностью покрытия, иначе поврежденные кремниевые пластины (фотоэлементы) перестанут работать

Контроллер выполняет насколько функций. Кроме основной – автоматической регулировки заряда АКБ, контроллер регулирует подачу энергии от солнечных батарей, предохраняя тем самым аккумулятор от полной разрядки.

При полном заряде контроллер автоматически отключает АКБ от системы. Современные устройства оборудованы панелью управления с дисплеем, показывающим напряжение батарей.

Для самодельных гелиосистем лучшим выбором являются гелевые аккумуляторы, отличающиеся сроком бесперебойного функционирования 10-12 лет. После 10-летней работы их емкость уменьшается примерно на 15-25 %. Это необслуживаемые и абсолютно безопасные устройства, не выделяющие вредных веществ.

Зимой или в пасмурную погоду панели также продолжают работать (если их регулярно очищать от снега), но выработка энергии снижается в 5-10 раз

Задача инвертеров – преобразовывать постоянное напряжение от АКБ в переменное напряжение 220 В. Они отличаются такими техническими характеристиками, как мощность и качество получаемого напряжения. Синусовое оборудование способно обслуживать наиболее «капризные» к качеству тока приборы – компрессоры, бытовую электронику.

Обзор бытовой СЭС:

Стоит знать, что бытовые электростанции способны обслуживать постоянно работающий холодильник, периодически запускаемый погружной насос, телевизор, систему освещения. Чтобы обеспечить энергией функционирование котла или даже микроволновки, потребуется более мощное и очень дорогое оборудование.

Простейшая схема солнечной электростанции, включающая главные составные элементы. Каждый из них выполняет свою функцию, без которой работа СЭС невозможна

Существуют и другие, более сложные схемы сборки солнечных электростанций, однако данное решение является универсальным и наиболее востребованным в быту.

Типы фотоэлектрических преобразователей

Классифицируют промышленные солнечные панели по их конструкционным особенностям и типу рабочего фотоэлектрического слоя.

Различают такие виды батарей по типу устройства:

гибкие панели;
жесткие модули.

Гибкие тонкопленочные панели постепенно занимают всё большую нишу на рынке благодаря своей монтажной универсальности, ведь установить их можно на большинстве поверхностей с разнообразными архитектурными формами.

Реальные характеристики солнечных панелей обычно ниже, чем указанные в инструкции. Поэтому перед их установкой дома желательно самому увидеть похожий реализованный проект

По типу рабочего фотоэлектрического слоя солнечные батареи разделяются на такие разновидности:

Кремниевые: монокристаллические, поликристаллические, аморфные.
Теллурий-кадмиевые.
На основе селенида индия- меди-галлия.
Полимерные.
Органические.
На основе арсенида галлия.
Комбинированные и многослойные.

Интерес для широкого потребителя представляют не все типы солнечных панелей, а только лишь первые два кристаллических подвида.

Хотя некоторые другие типы панелей и имеют большие КПД, но из-за высокой стоимости они не получили широкого распространения.

Галерея изображений

Фото из

Массив монокристаллических солнечных фотоэлементов

Солнечная панель на основе поликристаллов кремния

Солнечная панель в виде пленки

Фотогальванические элементы из селенида индия-меди-галлия

Фотоэлемент на основе арсенида галлия

Солнечные панели со слоем теллурида кадмия

Производство органических солнечных панелей

Солнечная батарея из полиэфира

Кремниевые фотоэлектрические элементы довольно чувствительны к нагреву. Базовая температура для измерения электрогенерации составляет 25°C. При её повышении на один градус эффективность панелей снижается на 0,45-0,5%.

Далее будут подробно рассмотрены солнечные панели, которые представляют наибольший потребительский интерес.

Монтаж солнечных батарей

К установке солнечных батарей не применяется жестких требований. Смонтировать гелиоприемник можно под наклоном, на вертикальной или горизонтальной поверхности. При этом жесткие панели (моно- и поликристаллические) устанавливают на жесткий каркас, фиксируют в местах крепления при помощи комплектного крепежа. Батареи на эластичной подложке допускают укладку на неровные поверхности (например, волнистую крышу).

Соединения между панелями осуществляют многожильными проводниками с оконцевателями. Сечение токоведущих элементов рассчитывают по величине номинального и максимального тока.

Этого можно достичь:

Ориентировкой модулей в южном направлении.
Размещением их под углом, равным географической широте местности.

Кроме того, для монокристаллических панелей критически важно позаботиться об отсутствии затенения – при рассеянном свете их эффективность сильно падает

Как работает солнечная батарея? виды и устройство