Принцип работы солнечных батарей для дома: Принцип работы солнечных батарей | Интернет магазин «Акваленд»

Содержание

Принцип работы современных солнечных батарей

Сегодня энергия солнца используется повсюду, от мобильных устройств, до питания домов. Первым вариантом использования солнечной энергии были солнечные коллекторы, однако современные солнечные батареи справляются с этим намного лучше. Принцип работы солнечных батарей не так сложен, как может показаться. После прочтения этой статьи вы узнаете больше о том, как же работает солнечная батарея.

1. Виды солнечных батарей.

1.1. Принцип работы солнечной батареи

Для начала нужно уточнить, что современные солнечные батареи бывают 3-х видов:

  • Монокристаллические
  • Поликристаллические
  • Тонкопленочные (аморфные)

Самыми распространенными видами солнечных батарей считаются монокристаллические и поликристаллические батареи. Они обладают достаточно высоким КПД, а так же имеют относительно низкую цену, однако у таких батарей есть недостаток — конструкции с их использованием не обладают гибкостью, которая необходима в некоторых случаях.

Именно в таких случаях используются тонкопленочные солнечные батареи. Толщина активного элемента аморфных солнечных батарей составляет от 0,5 до 1 мкм, тогда как толщина активного элемента в кристаллических батареях 300 мкм.

Светопоглащаемость аморфного кремния в 20 раз больше, чем у кристаллического, однако КПД аморфных солнечных батарей составляет приблизительно 10%, против 15% у поликристаллических, и 17% у монокристаллических.

Невозможно однозначно сказать какие солнечные батареи лучше. Например тонкопленочным солнечным батареям не нужен прямой солнечный свет, тогда как поли и монокристаллические должны находиться именно на улице под прямыми солнечными лучами.

1.2.  Из чего сделана солнечная батарея?

Солнечные батареи обычно изготавливаются из кремния. Однако чистый кремний практически никогда не используют при их производстве. На характеристики солнечных батарей влияют материалы, из которых изготовлены пластины. Для положительного заряда в качестве примеси к кремнию чаще всего используют бор, а для отрицательного – мышьяк.

Так как солнечные батареи работают зимой так же, как и летом – в пластины добавляют специальные примеси, такие как галлий, медь, арсенид, кадмий, теллурид, селен для того, чтобы сделать их менее чувствительными к перепадам температуры. Это делает элементы солнечной батареи зимой более надежными, и снижает риск их поломки.

2. Принцип действия солнечных батарей.

Многие из вас еще в школе проводили опыт, который описывает принцип работы солнечной батареи. Суть опыта в том, что на n-p переход транзистора со спиленной верхней крышкой падает свет, и если подключить вольтметр, то можно зафиксировать ток. Соответственно чем больше площадь n-p перехода, тем больше ток.

Так как атомы в p-слое полупроводника имеют лишние электроны, а в атомах n-слоя наоборот их недостает – то под воздействием лучей света электроны из p-слоя вбиваются и стремятся перейти в n-слой. В солнечной батарее между слоями находится диэлектрик, поэтому электроны проходят через нагрузку (аккумулятор), и только тогда достигают n-слоя.

3. Где используются солнечные батареи?

Наверное, многие впервые встретились с солнечными батареями около 20 лет назад, когда повсюду стали появляться калькуляторы с

фотоэлементами, что позволяло не менять батарейки в них годами. С тех пор солнечные батареи можно встретить где угодно. Ими оснащают дома в солнечных странах, их устанавливают на машины, их встраивают в мобильные телефоны, существует даже беспилотный самолет, который работает за счет одних только солнечных батарей. Существуют так же и солнечные электростанции, которые вырабатывают электричество для целых городов.

В Пекине в честь летней олимпиады был построен стадион, который аккумулирует солнечную энергию в течении дня, а потом тратит ее же на освещение стадиона, поливку газонов, работу телекоммуникационного оборудования.

В настоящее время в данной отрасли ведутся активные исследования. В начале 2013 года компания Sharp разработала солнечную батарею с КПД 44%.

4. Как устроены солнечные батареи: Видео

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.

Автор текста: Андрей Повный. Текст впервые опубликован на сайте Electrik.info. Перепечатано с согласия редакции.

Принцип работы солнечной электростанции

Солнечные электростанции завоевывают популярность в Украине, так как открывают перед владельцем возможность частично или полностью компенсировать собственные потребности в электричестве. Также, в зависимости от типа установки, точнее, комплектации станции определенным видом инвертора, можно продавать излишки энергии государству по специальной программе, получившей название «Зеленый тариф». Разберемся, какие установки подходят только для собственного использования, а какие также могут стать источником пассивного дохода. Принцип работы СЭС определяет ее тип: автономный, сетевой или гибридный. В чем отличие?

Автономное решение

Принцип работы солнечной электростанции данного типа построен по следующему алгоритму:

  • Солнечный свет попадает на солнечные панели.
  • Энергия света превращается в ток под действием электрических полей.
  • Аккумулятор накапливает электричество, а инвертор обеспечивает трансформацию постоянного тока в переменное напряжение.
  • По мере необходимости ток из аккумулятора подается к источникам забора – розеткам и включателям.
  • Коллектор заряда следит, чтобы аккумуляторная батарея заряжалась от фотоэлектронных модулей корректно.
  • Как только АКБ заполнена, аккумуляция электричества прекращается. Когда она заряжена не полностью, опять возможно «накопление» тока.

Плюс таких установок в том, что «питать» дом электроэнергией установка может также в ночное время. Ведь солнечный свет «накоплен» в аккумуляторе. Минус оборудования в том, что при заполненной батарее энергия солнца перестает использоваться. Если расход тока на объекте невысокий, то станция будет работать не на полную мощность.

Сетевые солнечные станции 

Работа солнечной электростанции этого типа не предполагает использование аккумулятора. В остальном принцип ее работы не отличается от автономного варианта. Фотоэлектрические элементы, на которые падает свет, превращают солнечную энергию в электрический ток. Поток направленных электронов проходит черед инвертер, но направляется не в аккумулятор. Установка подключается непосредственно к сети. Важно понимать что наличие внешней сети обязательно для этого типа СЭС т.к. инвертор выравнивает синусоиды и гаси гармоники в частое (чтобы получить напряжение нужных параметров) о внешнюю сеть. При отключении внешней сети такая солнечная станция работать не будет. Вырабатываемое электричество перенаправляется инвертором в централизованные электросети. За счет установки двунаправленного счетчика удается определить для конкретного объекта объем полученной и объем отданной энергии. То электричество, которое отдается, выкупается государством по «зеленому тарифу» (при подписании с РЭС соответствующего договора). Это позволяет владельцу солнечной станции не только компенсировать собственные потребности в электричестве, но и превратить установку в источник пассивного дохода. За счет продажи электричества владельцу станции удается быстрее окупить инвестицию.

Гибридные солнечные станции

Как работает солнечная электростанция этого типа? При установке гибридного инвертора генерируемую энергию можно не только перенаправлять в сеть, но и накапливать в аккумуляторе. Этот вариант оборудования объединяет преимущества первых двух моделей. Из-за этого стоимость гибридных СЭС на треть выше, чем цена автономных или сетевых решений. 

Различие в стоимости солнечных станций затрагивает инверторы, типы которых во всех трех случаях отличаются. Также несколько различается комплектация систем. К примеру, в сетевой установке отсутствует аккумулятора для автономной станции, нет нужды покупать двунаправленный счетчик.

Зависит ли принцип работы солнечной электростанции от ее мощности?

Как установки в 3 киловатта, которые являются моделями минимальной мощности, так и станции в 10 киловатт (это максимальная мощность для бытовой станции) работают по одному принципу. Отличие их в числе солнечных панелей, мощности инвертера, длине кабельной продукции и конструкции рамы, которая удерживает батареи. Что касается принципа работы, то мощность станции и тип установки – понятия не связанные.

Как определить тип и нужную производительность солнечной электростанции?

Принцип работы разных электростанций понятен. Выбирать оптимальный вариант нужно с учетом потребления электроэнергии в течении светового дня и в темное время суток, ориентации фотомодулей относительно горизонта, мест где можно разместить фотомодули. Если вы приобретаете оборудование для личных нужд, например, подогрева воды или уличного освещения, то выбирать нужно автономную модель. Если вы не только хотите компенсировать собственные потребности в электричестве, но и хотите продавать избытки тока, то лучший вариант – сетевая станция. Ну а гибридная установка подходит для решения и тех, и других задач.

А чтобы станция работала с максимальной эффективностью, соответствуя поставленным ценам, проектирование и монтаж системы стоит доверять только специалистам. Ведь от правильного подбора оборудования, а также от грамотного размещения панелей зависит объем солнечного света, попадающего на фотоэлементы. Менеджеры GREEN SYSTEM бесплатно рассчитают оптимальные данные установки для конкретного объекта.

принцип работы панелей, готовые комплекты российского производства для частного дома

Ежеминутно на поверхность нашей планеты попадает много солнечной энергии, без которой жизнь на Земле невозможна. Однако это еще не все, на что она способна, сегодня мы вступаем в эру альтернативных возобновляемых источников энергии, используя активность Солнца, ветра и воды. Крупнейшие солнечные электростанции уже вырабатывают около 1% всей мировой электроэнергии, поэтому будущее за новыми разработками. И этим мы обязаны науке и современным технологиям, благодаря которым это стало возможным.

Устройство панелей

Растущая в цене электроэнергия поневоле заставляет задуматься об экономии. И отличной альтернативой в данном случае считаются природные источники энергии. Оптимальным решение для частного дома является альтернативная электростанция – солнечная батарея.

Изначально может показаться, что вся система солнечной батареи слишком большая, а принцип ее работы невероятно сложен. И чтобы понять, как функционирует солнечная батарея в деле, необходимо детально рассмотреть ее конструкцию.

В действительности гелиосистема устроена довольно просто и состоит из четырех основных элементов.

  • Солнечная батарея – по форме и размерам представляет собой прямоугольную панель с определенным количеством пластинок. В основу солнечной батареи входят полупроводниковые материалы. Миниатюрные преобразователи собираются в модули, а модули – в единую систему гелиоколлектора.
  • Контроллер – выполняет функцию посредника между солнечным модулем и аккумулятором. Он необходим для отслеживания уровня заряда аккумулятора. Его роль крайне важна во всей цепи – контроллер не дает закипать или падать электрическому потенциалу, который необходим для стабильного функционирования всей системы.
  • Инвертор – преобразует постоянный ток солнечного модуля в переменный 220-230 вольт. Гибридный сетевой инвертор может использовать для своей работы как постоянный, так и переменный ток. Но стоит учитывать, что для работы инвертора тоже необходима энергия, и его расход составляет порядка 30% потерь на преобразование. И в пасмурную погоду или в темное время суток вся энергия для работы будет расходоваться из аккумулятора. То есть если аккумулятор разрядится, то инвертор перестанет работать.
  • Аккумулятор – преобразованная в электричество солнечная энергия не всегда используется в доме в полном объеме. Излишки могут накапливаться в аккумуляторе и использоваться в темное время суток и в пасмурную погоду.

Но перед тем как приступить к выбору и установке солнечной батареи на крыше, необходимо разобраться в принципах работы устройства, а также рассчитать рабочие узлы гелиосистемы.

Технические характеристики

Основным элементом каждой солнечной батареи является фотоэлектрический преобразователь.

В массовом производстве используется три типа элементов из кремния.

  • Монокристаллические – искусственно выращенные кремниевые кристаллы нарезаются на тонкие пластины. В основу модуля входит очищенный чистый кремний. Поверхность больше похожа на пчелиные соты или небольшие ячейки, которые соединяются между собой в единую структуру. Готовые маленькие пластинки соединяются между собой сеткой из электроводов. В данном случае процесс производства более трудоемкий и энергозатратный, что отражается на конечной стоимости солнечной батареи. Но монокристаллические элементы обладают большей производительностью, а средний КПД составляет около 24%. Срок службы монокристаллических батарей больше, они прослужат в среднем около 30 лет.
  • Поликристаллические – в основе кремниевый расплав. Такие модули считаются оптимальным решением для жилого частного дачного дома. Несколько кристаллов из кремния объединяются в один фотоэлемент. Поверхность поликристаллической солнечной батареи имеет неоднородную поверхность, из-за чего хуже поглощает свет. И КПД, соответственно, ниже, находится в пределах 20%. Срок службы поликристаллической панели составляет 20-25 лет. Они имеют характерное отличие – темно-синий цвет покрытия. Такие модули дешевле аналогов, что позволяет окупить всю систему примерно за 3 года.
  • Тонкопленочные – имеют гибкую подложку, что позволяет монтировать батарею на любую поверхность с углами и изгибами. Тонкий слой полупроводников наносится методом напыления на поверхность батареи. Такие системы имеют очевидный недостаток – маленький КПД. Производительность в среднем составляет около 10%. То есть для обеспечения энергией дома потребуется в два раза больше тонкопленочных батарей, чем поликристаллических. И срок службы таких панелей меньше других аналогов – в среднем ресурс работы составляет около 20 лет.

Идеально, если солнечные батареи могут полностью обеспечить дом электроэнергией. Но довольно часто энергия Солнца используется для горячего водоснабжения или же для отопления. Но чтобы выполнить любую из этих целей, необходимо высчитать реальную мощность на квадратный метр и необходимое количество модулей. Мощность солнечного модуля зависит от количества солнечных лучей, которые попадают на поверхность батареи. Чтобы правильно сделать выбор, также следует изучить принцип действия домашней мини-электростанции.

Принцип действия

Первый прототип гелиоколлектора, который всем известен еще с прошлого века – это дачный летний душ. Он представлял собой большую емкость, которая окрашивалась в черный цвет, в течение дня вода в ней нагревалась, что позволяло каждому дачнику вечером принимать теплый душ.

Гелиоколлектор – это плоская панель, которая располагается на улице, как правило, на крыше, и способна преобразовывать 90% солнечного излучения в энергию. В дальнейшем энергия отправляется в систему и распределяется на нужды электроснабжения. Но если гелиосистема используется для отопления или горячего водоснабжения, то энергия при помощи маломощного насоса направляется в бак-аккумулятор.

В разное время суток и в разные сезоны уровень освещения меняется. Поэтому для обеспечения бесперебойной поставки энергии в дом солнечная батарея имеет целую систему. Ученые научились управлять таким микрофизическим явлением, как фотоэлектрический эффект. И хотя, на первый взгляд, принцип действия кажется технически сложным, в действительности, принцип действия и схема электрической цепи выглядят очень просто.

Основная задача всей системы заключается в том, чтобы преобразовать энергию солнца и выдать постоянный ток определенной величины.

Плюсы и минусы

Установить солнечные батареи в своем доме может каждый желающий.

К тому же они имеют множество преимуществ.

  • Энергоэффективность – в зависимости от своего вида солнечные батареи имеют разный показатель. Но в среднем КПД составляет от 14 до 30%.
  • Солнечные батареи особенно востребованы на дачных участках. И этому есть два разумных объяснения. Во-первых, дачные участки зачастую находятся вдали от централизованных источников энергоснабжения в районах с малоразвитой инфраструктурой. И во-вторых, преобразование солнечных лучей в энергию особенно актуально именно в разгар дачного сезона – летом.
  • При необходимости мини-электростанцию можно дополнять новыми солнечными батареями для увеличения мощности.
  • Экономия – для южных регионов страны использование солнечной батареи для горячего водоснабжения позволяет сэкономить до 60% энергии в среднем за год: 30% зимой и 100% летом.
  • Подобные системы актуальны не только для частного использования, например, для дома, но и для предприятий, образовательных и медицинских учреждений. В производственном цехе солнечную батарею можно использовать в качестве дополнительного источника тепла для центрального отопления зимой, а летом – для подачи технологической горячей воды.
  • Выгода – заплатить за оборудование необходимо только один раз, впоследствии система не требует никаких вложений и обслуживания.
  • Экологический источник энергии – особенно важный аспект в планетарном плане, потому что запасы энергоносителей на Земле не безграничны.
  • Надежность – в данном случае многое зависит от выбранной модели и правильности установки.

Несмотря на множество плюсов, солнечные батареи имеют один весомы недостаток: их разумнее использовать в регионах с малым числом пасмурных дней в году, а таких на территории России очень ограниченное количество.

Стоит отметить, что система окупается через несколько лет и позволяет владельцу в будущем экономить колоссальные деньги. К примеру исходя из сегодняшних тарифов на электричество и дизель, можно с уверенностью сказать, гелиосистема окупится за 3-4 года в частном загородном коттедже для семьи из 5-7 человек. А при переходе с газа – окупаемость составит до 8-10 лет.

Виды

Сегодня различные виды солнечных батарей набирают все большую популярность. На первый взгляд, может показаться, что все солнечные модули одинаковые: большое количество отдельных маленьких фотоэлементов соединены между собой и закрыты прозрачной пленкой. Но, в действительности, все модули отличаются по мощности, конструкции и размерам. И на данный момент производители поделили гелиосистемы на два основных типа: кремниевые и пленочные.

Для бытовых целей устанавливаются солнечные батареи с фотоэлементами из кремния. Они являются на рынке самыми популярными. Из которых можно также выделить три вида – это поликристаллические, монокристаллические, о них уже было рассказано более подробно в статье, и аморфные, на которых остановимся подробнее.

Аморфные – изготавливаются также на основе кремния, но, кроме того, имеют также и гибкую эластичную структуру. Но производятся не из кристаллов кремния, а из силана – другое название кремневодород. Из особенностей аморфных модулей можно отметить отличную эффективность даже при пасмурной погоде и возможность повторять любую поверхность. Но КПД значительно ниже – всего 5%.

Второй тип солнечных панелей – пленочные, вырабатывается на основе нескольких веществ.

  • Кадмий – такие панели были разработаны еще в 70-х годах прошлого столетия и использовались в космосе. Но на сегодняшний день кадмий применяется также и при производстве промышленных и бытовых солнечных электростанций.
  • Модули на основе полупроводника CIGS – разработаны из селенида меди, индия и представляют собой пленочные панели. Индий также широко используется при производстве жидкокристаллических мониторов.
  • Полимер – также используется при производстве солнечных пленочных модулей. Толщина одной панели около 100 нм, но КПД остается на уровне 5%. Но из плюсов можно отметить, что такие системы имеют доступную цену и не выделяют вредные вещества в атмосферу.

Но также на сегодняшний день на рынке представлены менее громоздкие переносные модели. Они специально разработаны для использования во время активного отдыха. Зачастую такие солнечные батареи используются для подзарядки портативных устройств: небольших гаджетов, мобильных телефонов, фотоаппаратов и видеокамер.

Портативные модули делятся на четыре вида.

  • Маломощные – дают минимальный заряд, которого хватает для подзарядки мобильного телефона.
  • Гибкие – могут сворачиваться в рулон и имеют небольшой вес, благодаря этому и обусловлена большая популярность среди туристов и путешественников.
  • Закрепленные на подложке – имеют значительно больший вес, примерно 7-10 кг и, соответственно, дают больше энергии. Такие модули специально разработаны для использования в дальних автомобильных поездках, а также могут использоваться для частичного автономного снабжения энергией загородного домика.
  • Универсальные – незаменимы в пешем туризме, устройство имеет несколько переходников для одновременного заряда различных устройств, вес может достигать 1,5 кг.

Эффективность работы зимой

Для гелиосистемы морозная погода не играет роли. Главным здесь является количество ясных световых дней. И, к примеру, если использовать солнечную батарею для горячего водоснабжения, даже в зимний период тридцатиградусных морозов можно стабильно иметь в баке воду температурой 40°C – 50°C.

В регионах с резко континентальным климатом и суровой зимой отказаться от центрального отопления не получится. Но можно дополнить систему баками косвенного нагрева, которые позволяют совмещать различные источники тепла с возможностью включения в работу энергии солнца автоматически и по мере необходимости.

А также можно использовать гелиосистему для поддержки отопления в системе «теплый пол». При этом для 100 квадратных метров пола необходимо примерно 8 коллекторов. Но в летнее время такая большая система будет избыточной, разве что можно использовать ее для поддержания температуры в бассейне или сауне.

В зимний период разумнее использовать накопленную за лето энергию. В данном случае необходимо будет дополнительно установить аккумулятор для накопления электрического заряда.

Его роль в системе вполне понятна – аккумулятор позволит запастись электричеством солнечного модуля. И тогда можно будет использовать солнечную энергию в качестве электричества.

Как выбрать?

Установка гелиосистемы на собственном участке обойдется в приличную сумму. Перед тем как приступать к установке солнечной батареи, необходимо определиться с требующейся мощностью для всех приборов. И в первую очередь необходимо вычислить оптимальную пиковую нагрузку в киловаттах и рациональное условно среднее потребление энергии в киловатт/часах для обеспечения нужд дома или участка.

Для рационального использования солнечного электричества необходимо определить:

  • пиковую нагрузку – для ее определения необходимо сложить мощность всех приборов, включенных одновременно;
  • максимум потребляемой мощности – параметр, необходимый для определения категории приборов, которые должны работать в одно время;
  • суточное потребление – определяется умножением индивидуальной мощности отдельно взятого прибора на время, в течение которого он работал;
  • среднесуточное потребление – определяется путем сложения расхода энергии всех электроприборов за одни сутки.

Все эти данные необходимы для комплектации и стабильной последующей работы солнечной батареи. Полученная информация позволит подобрать более подходящие параметры аккумуляторного блока – дорогостоящего элемента солнечной системы.

Для проведения всех расчетов понадобится лист в клетку или, если вы предпочитаете работать на компьютере, то удобнее всего будет использовать файл Excel. Подготовьте шаблон таблицы с 29-ю колонками.

Укажите названия граф по порядку.

  • Название электроприбора, бытовой техники или инструмента – специалисты рекомендуют начинать описывать энергопотребителей с прихожей, а затем двигаться вкруговую по часовой или против часовой стрелки. Если дом имеет более одного этажа, то отправной точкой всех последующих уровней служит лестница. А также укажите уличные электроприборы.
  • Индивидуальная потребляемая мощность.
  • Время суток начиная от 00 и до 23 часов, то есть для этого вам понадобится 24 колонки. В колонках со временем необходимо будет указать два числа в виде дроби: продолжительность работы в течение конкретного часа/ индивидуальную потребляемую мощность.
  • В 27 колонке укажите суммарное время работы электроприбора за сутки.
  • Для 28 колонки необходимо помножить между собой данные из 27 колонки на индивидуально потребляемую мощность.
  • После заполнения таблицы вычисляется итоговая нагрузка каждого прибора на протяжении каждого часа – полученные данные вводятся в 29 колонку.

После заполнения последней колонки определяется среднесуточное потребления. Для этого все данные в последней колонке суммируют. Но в данном расчете не учитывается потребление всей системы гелиоколлектора. Для вычисления этих данных необходимо учитывать вспомогательный коэффициент при итоговых расчетах.

Такой тщательный и кропотливый подсчет позволит получить развернутую спецификацию энергопотребителей с учетом часовых нагрузок. Поскольку солнечная энергия очень дорогая, ее расход необходимо минимизировать и рационально использовать для питания всех приборов. К примеру, если гелиоколлектор будет использоваться в качестве резервного питания дома, то полученные данные позволят исключить энергоемкие приборы от сети до окончательного восстановления основного электроснабжения.

Для постоянного снабжения дома энергией от солнечной батареи при расчетах часовые нагрузки выдвигаются вперед. Потребление электроэнергии необходимо настроить таким образом, чтобы исключить аварийные ситуации при работе системы и выровнять максимальные нагрузки.

В таком случае все максимальные нагрузки должны совпадать с максимальной активностью солнца, то есть попадать на светлое время суток.

На данном графике наглядно показано, как рационально использовать энергию солнца в доме. Первоначальный график показывает, что нагрузка распределялась в течение суток хаотично: среднесуточная почасовая составляла 750 Вт, а показатель потребления – 18 кВт в час. После точных расчетов и грамотного планирования удалось снизить показатель суточного потребления до 12 кВт/час, а среднесуточную почасовую нагрузку до 500 Вт. Данный вариант распределения энергии также подходит и для резервного питания.

Сфера применения

Солнечные батареи являются наиболее выдающимся достижением в области альтернативной энергии. Они выполняют важнейшую функцию для энергосбережения и сохранения благ цивилизации. В летний период на даче солнечные батареи могут использоваться для обеспечения энергией электроприборов и бытовой техники, системы отопления или для горячего водоснабжения.

Туристы и путешественники, как правило, выбирают переносные солнечные батареи для зарядки портативных устройств. Они незаменимы в местах, где отсутствует электропитание.

Подобные устройства можно использовать также и для энергоснабжения квартиры. И если окна вашей квартиры выходят на солнечную сторону, вы можете смело установить солнечные батареи на балконе или фасаде дома, только предварительно необходимо будет получить разрешение управляющей компании или ТСЖ.

Схема подключения

Солнечные батареи можно разместить на крыше дома, неважно, скатной или плоской, а также на балконе, фасаде или даже во дворе. Но также необходимо будет выделить место на чердаке или в подвале для всей остальной системы.

Необходимо соблюдать основные рекомендации специалистов при установке солнечной батареи.

  • Внимательно рассмотрите все элементы солнечной системы перед покупкой на отсутствие повреждений и дефектов. Во время перевозки сохраняйте заводскую упаковку комплекта, чтобы не допустить нарушения целостности экрана.
  • Основные элементы контроля и регулировки солнечных батарей занимают минимум места. Как правило, необходимый минимум включает в себя инвертор, контроллер и АКБ. А также если позволяет климат региона и технические особенности участка, то устройства управления и контроля можно установить на улице. Но лучше для всей системы мини-электростанции выбрать отапливаемое сухое помещение, потому что при снижении окружающей температуры воздуха до -5?C емкость батареи уменьшается вдвое.
  • Солнечные модули, контроллеры и инверторы выпускаются под напряжением 12, 24 и 48 вольт. Большое напряжение позволяет использовать провода с меньшим сечением. Но чем меньше напряжение, к примеру, при 12 В проще заменить вышедшие из строя аккумуляторы. При работе с 24 вольтами понадобится заменять аккумуляторы попарно. А при замене аккумулятора 48 вольт понадобится 4 батареи на одной ветке, что, в свою очередь, опасно и может привести к поражению электрическим током.
  • Для системы солнечной батареи необходимо использовать специальные аккумуляторы с меткой Solar. В идеале все аккумуляторы должны быть от одного производителя и из одной партии.
  • Количество фотоэлементов в одном модуле должно быть от 36 до 72 штук – это оптимальное количество для получения заявленного тока. Не стоит устанавливать сдвоенные модули с количеством фотоэлементов от 72 до 144. Во-первых, их проблематично транспортировать. А во-вторых, они первыми выходят из строя при сильных морозах.
  • Большие модули должны иметь усиленный корпус и дополнительную защиту в виде стекла. Поскольку модули устанавливаются на крыше, на них оказываются большие нагрузки в виде осадков и ветра.
  • Собирать комплект солнечной батарее необходимо на открытой площадке или в просторном помещении.
  • Для установки солнечной батареи на участке необходимо выбрать хорошо освещенное открытое место, на котором не появляется тень от рядом стоящих зданий или деревьев. Отлично для этого подойдет крыша дома или любой другой постройки.
  • Угол наклона солнечных модулей играет большую роль при получении энергии. Поток энергии пропорционален положению солнца. Поэтому стоит заранее предусмотреть возможность изменения угла наклона для крепления при смене сезона, когда положение солнца и направление лучей меняется.

Изготовление в домашних условиях

Комплексная гелиосистема потребует немалого вложения средств. Но все потраченные деньги вернутся в будущем. Срок окупаемости в зависимости от количества модулей и способов использования солнечной энергии будет разниться. Но все же можно уменьшить первоначальные расходы не за счет потери качества, а за счет разумного подхода к выбору компонентов солнечной батареи.

Если вы неограничены в площади установки солнечных модулей, и в вашем распоряжении есть приличное пространство, то на 100 кв. м вы можете установить поликристаллические солнечные батареи. Это позволит сэкономить немалую сумму в семейном бюджете.

Не старайтесь покрыть полностью крышу солнечными батареями. Для начала установите пару модулей и подключите к ним ту технику, которая работает от постоянного напряжения. Нарастить мощность и увеличить количество модулей можно всегда со временем.

Если вы ограничены в бюджете, то можете отказаться от установки контроллера – это вспомогательный элемент, который необходим для отслеживания уровня заряда батареи. Вместо него, можно дополнительно подсоединить к системе еще один аккумулятор – это позволит избежать перезаряда и увеличит емкость системы. А для контроля заряда можно использовать обычные автомобильные часы, которыми можно измерять напряжение, да и стоят они в разы дешевле.

И один важный совет, замените все лампы накаливания на современные. В идеале использовать светодиодные – у них гораздо меньшее потребление электроэнергии и работают они от 12 В.

Популярные производители и отзывы

При выборе солнечной батареи для дома следует ориентироваться не только на соотношение цена – качество, но и на бренд. Необходимо абсолютно доверять производителю в этом важном вопросе. А чтобы удостовериться в качестве продукции, стоит ознакомиться с техническим паспортом и отзывами.

Зачастую на рынке можно встретить трубчатый вакуумный гелиоколлектор. Такие панели производятся в основном в Китае и теоретически имеют более высокий КПД. Но в зимнее время года на таких изделиях образуется наледь и на поверхности налипает снег. Слой осадков не пропускает солнечные лучи, а жарким летним днем такая система может «закипеть», если ее вовремя не накрыть для защиты от перегрева.

Рассмотрим самые популярные на рынке солнечные батареи.

Sharp

Sharp – бренд японской корпорации, широко известный в сфере производства мощных солнечных батарей. Выпускаемая продукция подвергается тщательным исследованиям и испытаниям. Солнечные модули имеют три слоя, а КПД составляет от 37,9% до 44,4%.

IES

IES – производится в Испании. Главной особенностью продукции считается два слоя модуля и КПД в пределах 32%, что в конечном счете отображается на стоимости. Солнечные панели испанского бренда значительно дешевле японских аналогов, но все же остаются весьма дорогостоящими для использования в частных домах.

Amonix

Amonix – также находится в числе лидеров по производству солнечных батарей для промышленного использования. Эффективность выпускаемой продукции составляет 36%.

Sun Power

Sun Power – солнечные панели американского бренда также входят в рейтинг эффективных систем. КПД популярных моделей составляет 21%.

Телеком-СТВ

«Телеком-СТВ» – панели российского производства (г. Зеленоград) также занимают лидирующие позиции среди производителей. Ассортимент выпускаемой продукции очень широкий. Компания предлагает монокристаллические батареи от 18 до 270 Вт, мультикристаллические – от 5 до 250 Вт, для морского применения – от 16 до 215 Вт, и складные – от 120 до 180 Вт. Эффективность солнечных модулей составляет 20-21%, но при этом стоимость батарей ниже на 30% по сравнению с импортными брендами.

Это лишь малая часть известных производителей солнечных батарей. Но не стоит сбрасывать со счетов и другие отечественные бренды. Так, к примеру, компания Hevel (Чувашия, Россия) выпускает микроморфные тонкопленочные батареи. И как показали исследования, улучшенная панель компании эффективнее улавливает лучи рассеянной энергии. И, что немаловажно, солнечные батареи отечественного производителя имеют привлекательный внешний вид и могут устанавливаться не только на крыше, но и на фасаде здания.

Не рассматривайте для установки дешевые сдвоенные солнечные модули с большим количеством фотоэлементов. Как показывает практика, во время аномальных морозов, которые систематически ударяют по многим регионам страны, именно такие панели первыми выходят из строя. Все дело в том, что тонкая прозрачная пленка, натянутая на поверхность модуля, сжимается на холоде и от большого натяжения отслаивается и рвется. Отчего производительность солнечной батареи падает, что может привезти к скорому выходу из строя.

При выборе подходящей системы необходимо также обратить внимание на то, что мощность гелиосистемы со временем снижается на 10%.

Также сократить ресурс панелей могут:

  • поврежденная пленка на поверхности модуля;
  • замутнение пленки;
  • деформация поверхности.

Не так давно ученые пришли к выводу и доказали возможность запасания тепла в грунте. Что открывает колоссальные перспективы для альтернативной энергии. Избытки летнего тепла можно запасать под землей в грунтовых или водяных аккумуляторах тепла, расположенных на глубине от 2 до 35 метров, и расходовать энергию зимой в качестве отопления или электричества.

Советы по поводу солнечных батарей — в следующем видео.

краткое описание, способы монтажа, принцип работы, отзывы

Еще недавно использование солнечного света в качестве замены традиционных энергоносителей воспринималось как нечто фантастическое или возможное только в особых условиях. Сегодня подобные решения не выглядят невероятными, но также сохраняются и проблемы их реализации на практике для рядовых потребителей. Сам по себе монтаж солнечных батарей на крышу достаточно прост и оптимизирован, однако это не отменяет сложностей в организации работы таких аккумуляторов.

Базовый комплект системы

В рабочую инфраструктуру солнечного генератора входит аккумуляторная станция, инверторный блок, преобразователь энергии, контроллер и управляющая аппаратура, непосредственно панели с фотоэлементами и монтажно-соединительная фурнитура. Каждый компонент может быть представлен разными устройствами, отличающимися по технико-эксплуатационным характеристикам. Например, небольшой жилой дом с солнечными батареями на крыше обеспечивается мощностью 1,5-2 кВт. Надо отметить, что существуют и комплексные, и локальные станции, которые могут обслуживать разные группы потребителей. Мощные аккумуляторы вырабатывают достаточно энергии для покрытия всех нужд в электроэнергии – от уличного фонаря до отопительного котла. Для дачи предназначены менее производительные системы, хотя на участках нередко используется энергозатратное оборудование в виде насосных станций и рабочей силовой техники.

Принцип работы солнечных аккумуляторов

Наиболее выдающейся и заметной частью солнечной электростанции является панель преобразователя. Существуют разные технологии ее изготовления вплоть до того, что производители разрабатывают секретные рецептуры фотокристаллических наполнителей. К стандартным устройствам можно отнести панель из кремния с покрытиями на основе бора и фосфора. Это может быть как одиночная пластина, так и комбинированная – из двух и более элементов. В разных слоях покрытия есть активные электроны, которые под влиянием света запускают движение частиц, провоцирующее выработку тока.

Аккумуляцию полученной энергии обеспечивают связанные с панелями медные полоски. Они могут передавать ток или накопителям энергии, или напрямую потребителям, к примеру, находящейся на участке светотехнике. Чтобы солнечные батареи на крыше принимали наиболее выгодное положение относительно поступления лучей, в конструкции предусматривается и автоматика. Благодаря тепловым датчикам она реагирует на свет и направляет панели в сторону солнца.

Выбор места для установки

В целях изначального повышения производительности системы желательно продумать оптимальное место размещения панелей на крыше. Руководствоваться следует следующими правилами:

  • Учет падения тени. Если зона установки большую часть дневного времени находится под тенью высокого дерева – разумеется, КПД будет крайне низким и не позволит окупить даже стоимость обслуживания модуля. Поэтому подбирается наиболее открытая солнечным лучам зона.
  • Правильная ориентация панелей. Даже если в конструкции предусмотрена система автоповорота, желательно изначально выбирать позицию, которая будет наиболее выигрышна с точки зрения падения ярких солнечных лучей на фотоэлементы.
  • Расчет по наклону. Распространенной ошибкой в монтаже панелей является их расположение под углом, соответствующим скату. Иными словами, конструкция просто укладывается на скат без каких-либо коррекций. Это в корне неверный подход, поскольку углы скатов (30-45 градусов) могут не соответствовать наклону, который будет наиболее выигрышным в конкретном регионе. Специалисты рекомендуют выполнять установку солнечных батарей на крыше под наклоном, равным географической широте местного региона. То есть угол будет соответствовать градусу широты.
  • Определение доступности. Эксплуатация панелей будет сопряжена с регулярным уходом и технической поддержкой конструкции. Поэтому заранее оценивается и физическая доступность к панелям на крыше.

Варианты создания несущей базы

Для установки панелей рекомендуется монтировать силовой блок, на котором будет зафиксирован каркас фотоэлементов. Такую конструкцию можно изготовить в домашних условиях. Потребуется металлический уголок и крепежные элементы. Соединения желательно выполнять сваркой – опять же с помощью инвертора стыки сформирует даже неопытный домашний мастер. Самое главное — правильно рассчитать базу по размерам и весу, чтобы она не проломила кровельное покрытие и в принципе позволяла выполнить надежную фиксацию. Сложность крепления солнечных батарей на крыше заключается в монтаже несущей платформы к стропильной системе. Дело в том, что фиксация как таковая выполняется не к элементам кровли, а к балкам крыши в подкровельном пространстве.

Со стороны чердачного помещения выполняется прочный силовой каркас, на базе которого будет закреплена сваренная профильная конструкция. Лучше всего применить болтовые соединения, чтобы в любой момент установку можно было отсоединить. Для этого заранее просчитываются отверстия, формируется конфигурация взаимной компоновки и т. д. Очевидно, что потребуется создавать технологический проем и в кровельном покрытии.

Процесс монтажа солнечных батарей на крыше

Каждая панель с фотоэлементами заключается в металлический профильный каркас. Изготовители изначально продумывают конфигурацию будущего крепления, оставляя зазоры и отверстия для фиксации. На этапе установки панелей должна быть подготовлена соответствующая крепежная оснастка и на несущей платформе.

Кроме того, необходимо подготовить демпфирующий и изолирующий материалы. Они позволят уберечь систему крепления от коррозийного повреждения и сильных вибраций от ветровой нагрузки. Это своего рода подкладки между несущей конструкцией и панелями. Далее выполняется установка солнечных батарей на крыше в выбранной точке – посредством метизов через технологические отверстия корпус панели прикручивается к металлическим профилям. При возможности стоит использовать регулируемые или шарнирные фиксаторы для регулировки положения панелей.

Электротехнические мероприятия

Не менее ответственный этап, на котором организуется сетевая разводка и подключение оборудования. Возможны разные способы решения этих задач, но самым надежным считается метод автономного подключения солнечных батарей на крыше с независимым источником питания. Панели с преобразователем и аккумулирующими блоками вводятся в систему автономного энергоснабжения. Для этого потребуются генераторы небольшой мощностью порядка 500 Вт с бытовым напряжением до 220 В.

Проводка выполняется с помощью стандартного кабеля типа витой пары с толстым слоем изоляции, предусматривающим эксплуатацию на улице. Все соединения аппаратуры производятся с помощью электротехнических контакторов – как правило, они входят в комплект с солнечными панелями. Как альтернативное решение можно подумать и о возможности подключения к центральной электросети, но тогда не получится использовать электростанцию в качестве резервного источника питания.

Интеграция мансардных окон на солнечных панелях

Оптимизированный по конструкции вариант солнечной батареи, который исключает необходимость выполнения специальных монтажных мероприятий. Панель уже встроена в мансардное окно, поэтому требуется только установка рамной конструкции. При желании панель можно изъять из несущего корпуса и оставить одно окно с жалюзи или другой защитной фурнитурой.

Некоторые производители предлагают установку солнечных батарей на крыше дома в уже готовые мансардные окна. То есть панель проектируется и изготавливается специально под размеры имеющегося проема с учетом характеристик рамы. Далее остается лишь выполнить несколько отверстий в конструкции оконного блока и закрепить болтами панель. Для подключения кабеля создается небольшой канал с трассой проводки, ведущий в чердачное помещение или мансарду. Здесь же, к слову, может располагаться аккумулирующая и преобразующая энергию аппаратура.

Общие рекомендации по рабочему процессу

Перед началом работ следует набросать примерный план размещения конструкции – это позволит не только определиться с оптимальным способом крепления, но и минимизировать возможные просчеты инсталляции. Также следует учитывать советы изготовителей по креплению солнечных батарей на крышу здания. Например, в инструкциях часто отмечают необходимость сохранения зазора между поверхностью корпуса панели и кровельным покрытием. В целях оптимального распределения энергии по всей зоне фотоэлементов также рекомендуется располагать прямоугольные панели по горизонтали – то есть длинной стороной вдоль карниза.

Эксплуатация системы

Наилучший способ управления системой – через автоматику. Современные бытовые электростанции на солнечных элементах позволяют с помощью дистанционного пульта управления программировать работу и непосредственно панелей, и аккумулирующего оборудования. Но это не значит, что не потребуется физического обслуживания. Периодически необходимо проверять состояние солнечных батарей. На крыше частного дома целесообразно предусмотреть небольшую техническую площадку с набором необходимых инструментов и расходных материалов. Время от времени должны будут выполняться регулирующие операции, осмотр фотоэлементов, чистка конструкции и смена расходных деталей при необходимости.

Отзывы о солнечных батареях

В России пока не так много частных домовладельцев, которые испытали возможности солнечных аккумуляторов. Тем не менее впечатления от первого знакомства с данным источником энергии по большей части положительные. Даже относительно небольшое покрытие объемов требуемой энергии вызывает положительные отклики. Пользователи отмечают широкие возможности накопления и распределения энергии с последующим рациональным использованием ее в соответствии с запросами.

С другой стороны, многие из тех, кто установил солнечную батарею на крыше своего дома, отмечают сложности с обслуживанием и дороговизну расходных материалов. По-прежнему высокая стоимость оборудования остается главным препятствием в распространении солнечных батарей.

Заключение

Несмотря на очевидную пользу от освоения альтернативных источников энергии, все еще остаются проблемы их использования на уровне массового потребителя. Это не только технические нюансы, с которыми сталкиваются пользователи, но и концептуальные особенности выработки энергии. Например, установка солнечных батарей на крыше в частных загородных домах может себя оправдать лишь в теплых регионах, где наблюдаются высокие показатели так называемой инсоляции. Это мера солнечной энергии, которая поступает на землю с лучами света. И она совсем не одинакова на юго-западе и северо-востоке страны, в частности. Также специалисты рекомендуют брать во внимание соотношение между требуемой энергией и потенциально генерируемой солнечными аккумуляторами. Не исключено, что даже в условиях благоприятных показателей инсоляции определенные характеристики панелей просто не позволят добиться положительного эффекта экономии энергии.

Солнечные батареи: принцип работы, плюсы использования

Солнечные батареи: принцип работы

Содержание статьи:

О том, что солнечные батареи являются источником энергии, обеспечивающим автономность питания многих систем, сегодня известно даже школьнику. Всё более широко применяется солнечное отопление, от солнечных батарей получают электропитание загородные дома и коттеджи.

И дело вовсе не в удалённости от цивилизации. В условиях непрерывно возрастающей стоимости всех без исключения энергоносителей, альтернативные способы получения энергии становятся актуальными не только для малообеспеченных слоёв населения.

Не следует забывать и об экологическом аспекте проблемы энергообеспечения. Очевидно, что работа солнечной батареи, в отличие от подавляющего большинства иных способов получения энергии, не имеет никакого негативного воздействия на окружающую среду и здоровье человека.

Солнечные батареи: принцип работы

Термин «солнечная батарея», нередко понимается по-разному. Чаще всего этим словосочетанием называют панель фотоэлектрических преобразователей, перерабатывающих солнечную энергию в электрическую. В целом, работа солнечной батареи сходна с работой транзистора. Обычный материал, используемый в изготовлении фотоэлектрических панелей – полупроводниковый кремень. Однако, когда целью является повышенная мощность, для производства солнечных батарей применяют кристаллический кремний.

Изготовление осуществляется методом литья. Кроме кремния, в состав сплава входят незначительные доли бора и мышьяка. Полученный в результате сплав характеризуется гладкой синеватой поверхностью с неравномерными переливами.

В упрощённом виде солнечная батарея представляет собой пару тонких листов из кремниевого сплава, сложенных и соединённых с сохранением p-n-перехода. При этом сплав первого листа имеет в своём составе атомы бора, а сплав второго – атомы мышьяка. Кроме того, для наружной пластины характерен переизбыток электронов, а для внутренней – недостаток.

Как работает солнечная батарея

Под воздействием солнечных лучей на элемент, обе пластины солнечной батареи начинают взаимодействие, процесс идентичен происходящему в обычной батарейке. В результате взаимодействия, возникает электродвижущая сила (ЭДС). Образно выражаясь, лучи солнца «пробуждают» электроны, и по законам физики последние начинают перемещение из одной пластины в другую.

Принципиальное же отличие от обычных батарей состоит в том, что в солнечных, не происходит никаких химических реакций. То есть, солнечные батареи для дома способны исправно функционировать весьма долгий срок.

Говоря о сроке эксплуатации, точнее будет отметить, что его практически не существует. Однако сам принцип устройства может отличаться в некоторых деталях. Например, сплав, идущий на изготовление тонкослойных ячеек, может иметь в своём составе не только кремний, но и арсенид, галлий, селен, медь, теллурид, кадмий и другие металлы.

О том, что лучше, ветрогенератор или солнечные батареи, читайте в другой статье строительного журнала samastroyka.ru

Оценить статью и поделиться ссылкой:

Солнечные батареи для отопления дома – экономия плюс высокая эффективность

Зависимость кошелька от традиционных энергоносителей – это проблема номер один. Никто из потребителей не знает, когда коммунальщики и по каким причинам вдруг поднимут цену на свои услуги. Это нервирует и беспокоит одновременно. Человечество давно использует силу ветра, воду, недра земли и другие природные возможности, чтобы отапливать свои дома, не завися от тех самых проблем, которые доставляют коммунальщики. Пришло время солнца, тем более энергия светила еще долго не иссякнет. Солнечные батареи для отопления дома – это не миф, это современная реальность.

Не будем утверждать, что способ аккумулирования солнечной энергии нов. Еще в прошлом столетии производители предлагали солнечные батарейки, на которых работали часы и калькуляторы. Но должно было пройти время, чтобы этой технологией заинтересовались производители приборов отопления. И это произошло. Конечно, первые солнечные панели для сбора тепловой энергии были не такими совершенными. Но время все расставляет по своим местам. И вот уже на крышах многих домов Европы установлены солнечные батареи, с помощью которых отапливаются дома и квартиры.

К сожалению, наши потребители еще не оценили их по достоинству. Хотя для южных регионов это оптимальное решение проблем с коммунальщиками. Первоначальные вложения будут существенными, а вот в последующей эксплуатации можно ощутить, что лучше этой системы в мире сегодня пока ничего не придумано.

Примечание.

В настоящее время солнечные батареи активно устанавливают на силовых опорах ОГС для организации автономного освещения. Современные, легкие металлические опоры можно найти на сайте производителя по ссылке http://www.uralzmo.ru/proizvodstvo_metallokonstruktsiy/katalog/oporyi_osvescheniya/oporyi_granenyie_silovyie_ogssfg/oporyi_granenyie_silovyie_ogs

Преимущества солнечного отопления

Достоинств у солнечного отопления немало. Вот только основные преимущества:

  • можно использовать тепловую энергию в любое время в независимости от коммунальных служб;
  • простота регулирования температурного режима внутри помещений дома;
  • нет необходимости платить за общее отопление;
  • запас солнечной энергии собирается в специальных аккумуляторах и этот запас вы можете использовать для разных бытовых нужд;
  • достаточный срок эксплуатации всей системы, чтобы перекрыть с лихвой ее первоначальную стоимость.

Правда, специалисты рекомендуют особо обращать внимание на некоторые нюансы монтажа и эксплуатации системы. Но на один необходимо обратить особое внимание.

Внимание! Если в регионе, где построен ваш дом, солнечных дней в году не очень много, то не стоит пенять на солнечные батареи. Их главный источник энергии — солнце, поэтому вероятность, что система будет работать неэффективно, достаточно высока.

Итак, нюансы:

  1. К сожалению, на сегодняшний день это очень дорогое удовольствие. Может быть поэтому солнечные батареи имеют низкую популярность у наших соотечественников. Но практика показывает, что срок окупаемости системы составляет один год. Так что в этом плане выгода явная.
  2. Мощность одного квадратного метра солнечной батареи – 120 Вт. Чтобы, к примеру, обеспечить теплом дом, где живет семья из трех-четырех человек, потребуется достаточно большое количество панелей. Точный расчет в данном случае просто необходим.
  3. Солнечные элементы надо устанавливать только на крыше и обязательно на южной ее стороне. Исходя из второго нюанса, можно сделать простой вывод – площадь южной стороны крыши не должна быть меньше 40 м². Оптимальный угол ската должен составлять 45°, рядом с домом, где установлены солнечные батареи, не должно быть высоких деревьев и построек, которые будут загораживать солнечные элементы.
  4. Оптимальная работа солнечного отопления будет зависеть от количества солнечных дней. Так вот минимальное количество таких дней должно быть 20 в месяц.
  5. Сами солнечные батареи имеют определенный вес, так что стропильную систему кровли необходимо усилить.

Внимание! Если вы приняли решение, что будете использовать солнечные батареи для системы отопления вашего дома, то все это необходимо будет учесть еще на стадии его проектирования.

Принцип работы

Тип солнечных батарей и их комплектация

Разделение солнечных батарей происходит по мощности. Здесь два типа:

  1. Малой мощности – 12-24 в. Этой энергии хватить, чтобы обеспечить электричеством несколько бытовых приборов. К примеру, телевизор или компьютер, можно полностью осветить дом.
  2. Большой мощности. Это целая система, которая будет обеспечивать электроэнергией не только бытовые приборы и освещение, но и систему отопления. Можно по мощности подобрать батареи так, чтобы ее хватило только на определенные нужды. К примеру, только на отопление.

Если говорить о комплектации отопления от солнечных батарей, то в нее входят:

  • Солнечные элементы коллекторного типа. Их еще называют вакуумные.
  • Контролер, который контролирует работу всей системы в целом. Очень необходимый прибор, от работы которого зависит эффективность работы всего отопления.
  • Циркуляционный насос, который гонят воду от накопительного бака через коллектор по всей системе отопления.
  • Накопительный резервуар для теплоносителя. Его объем может варьироваться в пределах 500-1000 литров.

Нюансы расчета мощности

Чтобы точно определить необходимую мощность солнечных батарей, нужно определиться, на какие цели будет использована потребляемая энергия. А это будет зависеть от площади и объема дома, от количества проживающих в нем человек и от периодичности потребления этой энергии.

К примеру, семья из трех-четырех человек потребляет 200-500 кВт в месяц. И это только общее потребление на освещение, приборы и отопление. Если сюда прибавляется горячее водоснабжение, то мощность солнечных элементов придется увеличить. То же самое относится к системе отопления «теплый пол». Кстати, с теплыми полами мощность рассчитывается из соотношения 10 м² пола на 1м² плоскости солнечного элемента. Если используется обычное водяное трубное отопление, где установлен обычный электрический нагревательный котел, то соотношение будет другим: 1000 кВт/ч на один квадратный метр площади дома в год. Обратите внимание – в год. Если сравнивать это потребление, переводя его на использование природного газа, то соотношение будет таким: 100 л газа на 1 м².

В настоящее время производители предлагают высокомощные солнечные батареи компактных размеров. Есть на рынке модели площадью 4 м², которые в год могут выдавать 2000 кВт/ч.

Специалисты же считают, что для российских климатических условий отказ от основных способов обогрева помещений – это неправильное решение. Солнечные батареи зимой будут работать неэффективно, так что проблемы с внутренней температурой будут возникать всегда. Оптимальный вариант – комбинированный подход к решению данной задачи. То есть использовать традиционные виды топлива для отопительной системы, а солнечные батареи использовать как вспомогательный вариант.

Типы и модели

Как правильно выбрать

Сразу же оговоримся, без специалиста сделать правильный выбор будет очень сложно. Тем более, заниматься самостоятельной установкой солнечных элементов не стоит. Вещь это дорогостоящая, так что пусть этим занимаются мастера.

А вот выбор, как уже было сказано выше, необходимо основывать на мощности приборов и на их площади. В независимости от того, по каким показателям были выбраны солнечные батареи, необходимо сказать, что срок их эксплуатации: 20-25 лет. Многие из них окупаются уже через год или два, так что говорить о долгосрочных капитальных вложениях в себя можно.

Модели

Производители солнечных батарей сегодня предлагают два основных вида, которые можно использовать для организации отопительной системы дома:

  1. Солнечные батареи, с помощью которых вырабатывается электрическая энергия. Она собирается в аккумуляторах, от которых питается электрический нагревательный котел.
  2. Солнечные коллекторы, в которых теплоноситель нагревается непосредственно от солнечных лучей. Это более упрощенная трубная система, хотя не менее эффективная.

Отличия двух систем заключается в том, что в первой используются фотоэлементы, отвечающие за преобразование солнечного света в электричество. Здесь же происходит и ее аккумулирование. Вторая схема – это типичный тепловой коллектор, который будет работать только в том случае, если солнце светит постоянно. Небольшая аккумуляция происходит за счет сбора теплоносителя в специальных теплоизолированных резервуарах с подогревом. В качестве нагревателя может выступать ТЭН или тепловой насос.

Солнечная энергетическая система

— Как это работает?

Излишне говорить, что Солнце является крупнейшим источником возобновляемой энергии для Земли. Дело в том, что хотя Земля получает только часть энергии, вырабатываемой Солнцем (т.е. Солнечной энергии), эта часть солнечной энергии также огромна. Земля получает солнечную энергию в виде света и тепла. Но в современном мире слова «мощность» и «энергия» больше склоняются к «электричеству». В этой статье объясняется, как электричество собирается из солнечной энергии и как она используется.

Как работает солнечная энергия?

Электрическая энергия может быть получена из солнечной энергии с помощью фотоэлектрических или концентрированных систем солнечной энергии.

Фотовольтаика (PV)

Фотогальваника напрямую преобразует солнечную энергию в электричество . Они работают по принципу фотоэлектрического эффекта. Когда некоторые материалы подвергаются воздействию света, они поглощают фотоны и высвобождают свободные электроны. Это явление называется фотоэффектом. Фотогальванический эффект — это метод получения электричества постоянным током, основанный на принципе фотоэлектрического эффекта.На основе фотоэлектрического эффекта изготавливают солнечные элементы или фотогальванические элементы. Они преобразуют солнечный свет в электричество постоянного тока. Но один фотоэлемент не производит достаточного количества электроэнергии. Следовательно, несколько фотогальванических элементов установлены на несущей раме и электрически соединены друг с другом, образуя фотогальванический модуль или солнечную панель . Обычно доступные солнечные панели варьируются от нескольких сотен ватт (скажем, 100 Вт) до нескольких киловатт (когда-нибудь слышали о солнечной панели мощностью 5 кВт?).Они доступны в разных размерах и разных ценовых диапазонах. Солнечные панели или модули предназначены для подачи электроэнергии при определенном напряжении (скажем, 12 В), но производимый ими ток напрямую зависит от падающего света. На данный момент ясно, что фотоэлектрические модули производят электричество постоянного тока. Но в большинстве случаев нам требуется питание переменного тока, и, следовательно, солнечная энергетическая система также состоит из инвертора.
Солнечная фотоэлектрическая система

В соответствии с потребностью в мощности несколько фотоэлектрических модулей электрически соединяются вместе, чтобы сформировать массив фотоэлектрических модулей и достичь большей мощности.Существуют различные типы фотоэлектрических систем в зависимости от их реализации.

  • Прямые фотоэлектрические системы: Эти системы питают нагрузку только тогда, когда светит солнце. Аккумулятора вырабатываемой энергии нет, а, следовательно, аккумуляторы отсутствуют. Инвертор может использоваться или не использоваться в зависимости от типа нагрузки.
  • Автономные системы: этот тип системы обычно используется в местах, где питание от сети недоступно или ненадежно. Автономная солнечная электростанция не подключена к какой-либо электрической сети.Он состоит из массивов солнечных панелей, аккумуляторных батарей и инверторных цепей.
  • Системы, подключенные к сети: эти солнечные энергетические системы связаны с сетями, так что избыточная необходимая мощность может быть доступна из сети. Они могут или не могут быть подкреплены батареями.

Концентрированная солнечная энергия

Как следует из названия, в этом типе солнечной энергетической системы солнечные лучи концентрируются (фокусируются) на небольшой площади путем размещения зеркал или линз на большой площади. За счет этого в сфокусированной области выделяется огромное количество тепла.Это тепло может быть использовано для нагрева рабочего тела, которое затем может приводить в действие паровую турбину. Существуют различные типы технологий, которые основаны на концентрированной солнечной энергии для производства электроэнергии. Некоторые из них — параболический желоб, тарелка Стирлинга, башня солнечной энергии и т. д. Следующая схема показывает, как работает башня солнечной энергии.

Принцип работы и разработка солнечной батареи

Теплые подсказки: В этой статье около 2600 слов, а время чтения около 15 минут.

Сводка

Из-за постоянного спроса человечества на возобновляемые источники энергии, люди посвящают себя разработке новых источников. Энергия, которую солнце излучает на поверхность Земли за 40 минут, может быть использована в течение одного года со скоростью текущего глобального потребления энергии. Разумное использование солнечной энергии будет долгосрочной стратегией развития человечества для решения энергетических проблем, а также одной из наиболее изученных исследовательских горячих точек. В этой статье будут представлены различные типы новых солнечных элементов, а также принцип и разработка солнечных элементов.При этом сравним эффективность преобразования и перспективы развития.

 


Каталог

 

 


Ⅰ Фон солнечной батареи

Энергетика является не только базовой отраслью народного хозяйства, но и высокотехнологичной отраслью. « Безопасный, эффективный и низкоуглеродный » воплощает в себе характеристики современных энергетических технологий, а также является основным направлением для захвата командной высоты энергетических технологий будущего.

 

В настоящее время разработка новых источников энергии в основном сосредоточена на возобновляемых источниках энергии, таких как солнечная энергия, водородная энергия, энергия ветра и геотермальная энергия, среди которых ресурсы солнечной энергии многочисленны и широко распространены и являются наиболее перспективными возобновляемыми источниками энергии. В условиях глобальной нехватки энергии и загрязнения окружающей среды, таких как все более заметные, солнечная фотоэлектрическая энергетика привлекла внимание всего мира и сосредоточилась на развитии новых отраслей из-за ее экологически чистых, безопасных, удобных, эффективных и других характеристик.

 

С момента открытия французским ученым Э. Беккерелем в 1839 году фотогальванического эффекта жидкости (называемого фотогальваническим явлением) солнечный элемент претерпел долгую историю развития, насчитывающую более 160 лет. С точки зрения общего развития, как фундаментальные исследования, так и технический прогресс сыграли положительную роль в их продвижении. Практическое применение солнечных элементов сыграло решающую роль с момента успешной разработки солнечных элементов из монокристаллического кремния тремя учеными из Bell Laboratories в США, что является важной вехой в истории развития солнечных элементов.До сих пор основная структура и механизм солнечных элементов не изменились.

 

Из-за постоянного спроса человечества на возобновляемые источники энергии, люди посвящают себя разработке новых источников. Энергия, которую солнце излучает на поверхность Земли за 40 минут, может быть использована в течение одного года со скоростью текущего глобального потребления энергии. Разумное использование солнечной энергии будет долгосрочной стратегией развития человечества для решения энергетических проблем, а также одной из наиболее изученных исследовательских горячих точек.В этой статье будут представлены различные типы новых солнечных элементов, а также принцип и разработка солнечных элементов. При этом сравним эффективность преобразования и перспективы развития.

 


Ⅱ Типы солнечных элементов

2.1 Кремниевые солнечные элементы

Кремниевые солнечные элементы делятся на монокристаллические кремниевые солнечные элементы, поликристаллические кремниевые тонкопленочные солнечные элементы и аморфные кремниевые тонкопленочные солнечные элементы.

 

Солнечные элементы

из монокристаллического кремния имеют эффективность преобразования ячеек, технология которых также является наиболее зрелой.Максимальная эффективность преобразования в лаборатории составляет 24,7 %, а производительность в масштабах производства — 15 %. Он по-прежнему доминирует в крупномасштабных приложениях и промышленном производстве. Однако из-за высокой стоимости монокристаллического кремния резко снизить стоимость очень сложно. В целях экономии кремниевых материалов разработка поликристаллического кремния и пленки аморфного кремния появляется в качестве заменителей монокристаллических кремниевых солнечных элементов.

 

По сравнению с монокристаллическим кремнием, тонкопленочный солнечный элемент из поликристаллического кремния имеет более низкую стоимость.Между тем, он имеет более высокую эффективность, чем тонкопленочные элементы из аморфного кремния. Его наивысшая эффективность преобразования составляет 18% в лабораторных условиях и 10% в промышленных масштабах. В результате тонкопленочные батареи из поликристаллического кремния вскоре будут доминировать на рынке солнечной энергии.

 

Тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния обладают большим потенциалом благодаря преимуществам низкой стоимости, высокой эффективности преобразования и простоты массового производства. Однако из-за эффекта затухания фотоэлектрической эффективности, вызванного материалом, стабильность невысока, что напрямую влияет на его практическое применение.Если мы сможем дополнительно решить проблему стабильности и улучшить коэффициент преобразования, то солнечный элемент на основе аморфного кремния, несомненно, станет одним из основных направлений развития солнечных элементов.

 

2.2 Многосоставные тонкопленочные солнечные элементы

Материалом многосоставных тонкопленочных солнечных элементов являются неорганические соли, в том числе соединения арсенида галлия III-V, сульфид кадмия, сульфид кадмия и тонкопленочный элемент с селеном, окклюдированным медью.

 

Поликристаллические тонкопленочные элементы из сульфида кадмия, теллурида кадмия обеспечивают более высокую эффективность, чем тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния, более низкую стоимость, чем элементы из монокристаллического кремния, а также просты в массовом производстве.Однако кадмий очень токсичен, что приведет к серьезному загрязнению окружающей среды; следовательно, это не идеальная замена кристаллическим кремниевым солнечным элементам.

 

 

Эффективность преобразования составных элементов GaAs III-V может достигать 28%. Соединения GaAs имеют очень хорошую оптическую ширину запрещенной зоны и высокую эффективность поглощения. Они обладают сильной защитой от облучения и нечувствительны к теплу, что подходит для производства высокоэффективных однопереходных элементов.Однако цена GaAs-материалов высока, что в значительной степени ограничивает популярность GaAs-элементов.

 

Тонкопленочные элементы из селенида меди и индия (называемые CIS) подходят для фотоэлектрического преобразования. Проблем с фотодеградацией нет. Они имеют такую ​​же эффективность преобразования, как и поликремний. С низкими ценами, хорошей производительностью и простотой процессов и т. д. СНГ станет важным направлением будущего развития солнечных батарей. Единственная проблема заключается в источнике материала, так как индий и селен являются относительно редкими элементами, поэтому разработка таких батарей должна быть ограничена.

 

2.3 Полимерный многослойный модифицированный электродный солнечный элемент

Замена неорганических материалов органическими полимерами является научным руководителем недавно начатого производства солнечных элементов. Обладая преимуществами хорошей гибкости, простоты изготовления, широкого спектра источников материалов и низкой стоимости, органические материалы имеют большое значение для крупномасштабного использования солнечной энергии и обеспечения дешевой электроэнергии. Однако изучение производства солнечных элементов из органических материалов только началось, и их срок службы, и эффективность батареи не могут сравниться с неорганическими материалами, особенно с кремниевыми элементами.Вопрос о том, можно ли превратить его в практический продукт, требует дальнейшего изучения.

 

 

2.4 Нанокристаллические солнечные элементы

Нанокристаллический TiO 2 Химия Солнечные элементы — это недавно разработанный продукт. Его преимущества включают низкую стоимость, простоту процесса и стабильную работу. В то же время его фотоэлектрическая эффективность стабильно превышает 10%, а стоимость производства составляет всего от 1/5 до 1/10 стоимости кремниевого солнечного элемента, а срок его службы может достигать более 20 лет.

 

Однако, поскольку исследования и разработка таких элементов только начались, предполагается, что нанокристаллические солнечные элементы будут постепенно выходить на рынок в ближайшем будущем.

2.5 Органические солнечные элементы

Органические солнечные элементы, как следует из названия, представляют собой солнечные элементы, которые образуют органические материалы. Мы не знакомы с органическими солнечными батареями, что разумно. Более 95% современных солнечных элементов изготовлены на основе кремния, а менее 5% остальных солнечных элементов изготовлены из других неорганических материалов.

 

Вот таблица эффективности преобразования различных типов солнечных элементов:

Типы солнечных батарей

Кристаллические кремниевые солнечные элементы

Тонкопленочный солнечный элемент

 

монокристаллический кремний

поликристаллический кремний

CdTe

СНГ

А-Си

МС-Си

Эффективность промышленного производства

19.6%

18,5%

11,1%

12%

7%

9%

Достижимые цели эффективности

>20%

20%

18%

18%

10%

15%

 

 


Ⅲ Некоторые причудливые конструкции солнечных элементов

3.1 батарея для энергосбережения

E-Saving Battery имеет идеальный баланс площади солнечных элементов (эффективность выработки энергии) и портативности. Этот продукт ничем не отличается от обычного портативного повербанка. Он по-прежнему имеет колоннообразную форму и вывод через USB-порт — но имеет встроенные гибкие солнечные элементы, при необходимости удерживая заднюю часть удилища, и можно вытягивать солнечный элемент как катушку, чтобы получить максимальную площадь освещения. , тем самым повысить эффективность производства электроэнергии.В мирное время можно и панель поставить вверх, что и удобно и не занято.

 

3.2 Складная солнечная батарея

В разделе «Энергосберегающая батарея» мы упомянули гибкий солнечный элемент, который можно свернуть. Тогда можно ли свернуть солнечную батарею или нет? Еще в 2009 году американец по имени Фредерик Кребс создал солнечную пленку, которую можно скручивать или распрямлять, к которой даже была прикреплена ультратонкая литиевая батарея и светодиод. В течение дня вы можете расправить его и прикрепить к стене, и он сможет преобразовывать солнечную энергию в электричество и накапливать.вечером можно поставить в доме как комнатное освещение. При желании его также можно свернуть в трубочку, как фонарик. По замыслу Кребса, стоимость каждого будет меньше 7 долларов США при окончательном массовом производстве такой солнечной светодиодной пленки.

 

3.3 SunCats

SunCats — дизайн Кнута Карлсена. На самом деле, это больше похоже на солнечную наклейку, чем на солнечный элемент, эквивалентный солнечным элементам, прикрепленным к поверхности обычной перезаряжаемой батареи.Поэтому, когда он выключен, бросьте его на подоконник и дайте ему поймать немного солнечного света.

3.4 SunLight

SunLight разработан немецким дизайнером Германом Эске. Основной корпус sunLight представляет собой солнечную панель, которую можно свернуть вместе. Помимо прямой зарядки электроники, как это делают большинство солнечных устройств, у него есть и другие специальные функции. Если вы посмотрите на него крупным планом, вы обнаружите, что он выглядит немного иначе. Сзади шесть полых маленьких цилиндров.Все загадки кроются в этих цилиндрах, любой из которых можно представить как небольшой светодиодный фонарик, работающий от двух встроенных аккумуляторов типа АААА, и свернутый в виде мощного фонарика с шестью светодиодами.


Ⅳ Принцип работы солнечных элементов

Солнечные элементы, тип полупроводникового устройства, которое эффективно поглощает солнечное излучение и преобразует его в электрическую энергию, также известны как фотоэлектрические элементы из-за их фотоэлектрического эффекта с использованием различных потенциальных барьеров.Основой этих устройств является полупроводник, высвобождающий электроны.

 

Наиболее часто используемым полупроводниковым материалом является кремний. Поскольку запасы кремния в земной коре богаты, можно сказать, что он неисчерпаем. Когда солнечный свет падает на поверхность полупроводника, валентные электроны атомов в N- и P-областях полупроводника возбуждаются солнечными фотонами, а энергия за пределами запрещенной полосы получается за счет оптического излучения. Таким образом, зона проводимости создает множество электронно-дырочных пар, находящихся в неуравновешенном состоянии внутри полупроводникового материала.Эти фотовозбужденные электроны и дырки свободно сталкиваются или рекомбинируют в полупроводнике до равновесного состояния.

 

Композитный процесс не проявляет внешнего проводящего эффекта. Это часть автоматической потери энергии солнечных батарей. Небольшое количество носителей в фотовозбужденных носителях может перемещаться в область PN-перехода и дрейфовать в противоположную область из-за эффекта вытягивания неосновных носителей PN-перехода, а противоположное направление формируется напротив электрического поля барьера PN-перехода. Фотоэлектрическое поле.

 

После подключения к внешней цепи вы можете получить выходную мощность. Когда большое количество таких небольших солнечных фотоэлектрических элементов объединено последовательно и параллельно для формирования модуля фотоэлектрического элемента, под действием солнечной энергии вырабатывается достаточно большая электрическая мощность. Полупроводниковые материалы для солнечных элементов должны иметь подходящую ширину запрещенной зоны.

 

Полупроводник с другой шириной запрещенной зоны поглощает только часть энергии солнечного излучения для генерации электронно-дырочных пар.Чем меньше ширина запрещенной зоны, тем большую часть солнечного спектра можно поглотить, и в то же время количество теряемой энергии будет больше вблизи пиков солнечного спектра. Видно, что более эффективно использовать солнечный спектр можно только при выборе полупроводниковых материалов с подходящей шириной запрещенной зоны. Поскольку полупроводник с прямым переносом имеет более высокую эффективность поглощения света, чем полупроводник с непрямым переносом, он должен быть полупроводником с прямым переносом.

 


Ⅴ Фотогальванический эффект

Как упоминалось выше, здесь необходимо объяснить фотогальванический эффект.

Вот видео о фотогальваническом эффекте: 

Адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии Джефф Гроссман объясняет фотогальванику/солнечные элементы

 

Так называемый фотогальванический эффект заключается в том, что при освещении объекта распределение заряда внутри объекта изменяется под действием электродвижущей силы и тока.Когда солнечный свет или другой свет падает на PN-переход полупроводника, по обе стороны от PN-перехода появляется напряжение, которое называется фотоиндуцированным напряжением.

 

Когда свет попадает на PN-переход, генерируется электронно-дырочная пара. Носители, генерируемые вблизи PN-перехода в полупроводнике, не рекомбинируют, чтобы достичь области пространственного заряда. Из-за притяжения внутреннего электрического поля электрон течет в N-область, а дырка — в P-область.В результате избыточные электроны накапливаются в N-области, а избыточные дырки присутствуют в P-области. Они формируют фотогенерируемое электрическое поле, противоположное барьеру, вблизи p-n-перехода. Помимо частичного противодействия роли электрического поля потенциального барьера, фотогенерируемое электрическое поле также делает область P положительной, а область N отрицательной. Затем возникает электродвижущая сила между тонким слоем в области N и P, что является фотогальваническим эффектом.

 


Ⅵ Часто задаваемые вопросы

1. Каков принцип работы солнечных батарей?

Солнечная батарея — это устройство, которое напрямую преобразует энергию света в электрическую энергию посредством фотогальванического эффекта. Солнечные элементы или фотоэлектрические элементы изготавливаются на основе принципа фотоэлектрического эффекта. Они преобразуют солнечный свет в электричество постоянного тока.

 

2. Что такое солнечная батарея и кратко объясните, как она работает?

Когда солнечный свет падает на солнечный элемент, кремниевые электроны выбрасываются, что приводит к образованию «дырок» — вакансий, оставленных вылетевшими электронами.Если это произойдет в электрическом поле, то поле переместит электроны в слой n-типа, а дырки — в слой p-типа.

 

3. Каковы преимущества солнечных батарей?

• Возобновляемый источник энергии. Среди всех преимуществ солнечных батарей самым важным является то, что солнечная энергия является действительно возобновляемым источником энергии.

• Уменьшает счета за электроэнергию.

• Различные приложения.

• Низкие затраты на обслуживание.

• Развитие технологий.

 

4. Что такое краткий ответ солнечной батареи?

Солнечный элемент, также называемый фотогальваническим элементом, любое устройство, которое непосредственно преобразует энергию света в электрическую энергию посредством фотогальванического эффекта.

 

5. Каковы характеристики солнечных батарей?

Основными характеристиками солнечного элемента являются ток короткого замыкания (ISC), напряжение холостого хода (VOC), коэффициент заполнения (FF) и эффективность преобразования солнечной энергии (η).

 

6. Какие существуют типы солнечных батарей?

Три типа солнечных панелей: монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные солнечные панели. Каждый из этих типов солнечных элементов изготавливается уникальным образом и имеет разный эстетический вид.

 

7. Каковы три преимущества солнечной энергии?

Солнечная энергия не загрязняет окружающую среду и не вызывает выбросов парниковых газов после установки.Снижение зависимости от иностранной нефти и ископаемого топлива. Возобновляемая чистая энергия, доступная каждый день в году, даже в пасмурные дни производит некоторую энергию. Возврат инвестиций в отличие от оплаты счетов за коммунальные услуги.

 

8. Почему кремний используется в солнечных батареях?

Чистый кристаллический кремний плохо проводит электричество, так как по своей сути является полупроводниковым материалом. … В солнечном элементе слои расположены рядом друг с другом, и таким образом создается электрическое поле.Когда солнечный свет попадает на солнечный элемент, энергия стимулирует электроны, которые оставляют после себя дырки.

 

9. Что такое напряжение холостого хода солнечных батарей?

Напряжение холостого хода, VOC, является максимальным напряжением, доступным от солнечного элемента, и это происходит при нулевом токе. Напряжение холостого хода соответствует величине прямого смещения на солнечном элементе из-за смещения перехода солнечного элемента с генерируемым светом током.

 

10.Почему солнечная энергия полезна для окружающей среды?

Солнечная энергия снижает выбросы парниковых газов.

Выработка электроэнергии с использованием солнечной энергии вместо ископаемого топлива может значительно сократить выбросы парниковых газов, особенно двуокиси углерода (CO2). Переходя на солнечную энергию, вы можете снизить спрос на ископаемое топливо, ограничить выбросы парниковых газов и уменьшить свой углеродный след.

 


Книга рекомендаций

 

Эта книга представляет собой всестороннее введение в физику фотогальванического элемента.Он подходит для студентов, аспирантов и исследователей, плохо знакомых с этой областью. Он охватывает основы физики полупроводников в фотоэлектрических устройствах; физические модели работы солнечных батарей; характеристики и конструкция распространенных типов солнечных батарей; и подходы к повышению эффективности солнечных батарей. Текст объясняет термины и понятия физики солнечных батарей и показывает читателю, как формулировать и решать соответствующие физические задачи. Упражнения и рабочие решения включены.Содержание: Фотоны на входе, электроны на выходе: основные принципы PV; Электроны и дырки в полупроводниках; Генерация и рекомбинация; Соединения; Анализ p-n-перехода; Монокристаллические солнечные элементы; Тонкопленочные солнечные элементы; Управление светом; За пределом: стратегии повышения эффективности.

 

— Дженни Нельсон (Автор)

В основном книги посвящены кремниевым устройствам с одним переходом, но также описаны некоторые полупроводники III-V. В основном освещается физика солнечных элементов, но есть и информация по практическим вопросам установки.

 

—Мартин А. Грин (Автор)

 


Соответствующая информация о «Принципе работы и развитии солнечной батареи»

О статье «Принцип работы и развитие солнечной батареи». Если у вас есть лучшие идеи, не стесняйтесь писать свои мысли в следующей области комментариев. Вы также можете найти дополнительные статьи об электронных полупроводниках через поисковую систему Google или обратиться к следующим связанным статьям.

 

Альтернативные модели

Часть Сравнить Производители Категория Описание
Произв.Номер детали: FM18W08-PG Сравните: Текущая часть Производители: Cypress Semiconductor Категория:Микросхема памяти Описание: Параллельное NVRAM FRAM 256 Кбит 3.3В 28Пин ПДИП
№ производителя: FM25V05-G Сравните: FM18W08-PG VS FM25V05-G Производители: Cypress Semiconductor Категория:Микросхема памяти Описание: FRAM 512Kbit Serial-SPI 3V/3.3V 8Pin SOIC Tube
№ производителя: FM25V05-GTR Сравните: FM18W08-PG ПРОТИВ FM25V05-GTR Производители: Cypress Semiconductor Категория:Микросхема памяти Описание: FRAM 512Kbit Serial-SPI 3V/3.3V 8Pin СОИК Т/Р
№ производителя: FM1808-70-PG Сравните: FM18W08-PG ПРОТИВ FM1808-70-PG Производители: Ramtron Категория:Микросхема памяти Описание: Схема памяти, 32KX8, CMOS, PDIP28, ЗЕЛЕНАЯ, MS-011, DIP-28

Как работают солнечные панели и солнечная электроэнергия | ОРЕЛ

Солнечное электричество окружает нас повсюду: от карманных калькуляторов на солнечных батареях до спутников и домов, обвязанных солнечными панелями.Вы даже можете увидеть солнечную энергию по пути на работу, когда будете проезжать аварийные дорожные знаки, телефонные будки или измерители скорости. Этот «бесплатный» источник энергии в значительной степени покрывает наши современные потребности в электроэнергии и в конечном итоге прокладывает путь к устойчивой энергетике будущего. Но будет ли этого достаточно, чтобы освободиться от ископаемого топлива? Время покажет. Так как же именно работает солнечное электричество и солнечные батареи? Там нет выключателя, иногда нет даже аккумулятора для зарядки. Мы просто зависим от этого гигантского газового шара в небе (Солнца), который обеспечивает наши потребности в этом мире.

Солнечное электричество в действии

Солнечное электричество на самом деле не является чем-то новым. В 1839 году французский ученый Александр Эдмон Беккерель обнаружил, что такой материал, как металл, испускает электрические искры при воздействии солнечного света. Этот эксперимент проложил путь для исследований других ученых, таких как Альберт Эйнштейн, который позже назвал этот процесс фотоэлектрическим эффектом .

Фотоэлектрический эффект возникает, когда электроны выбрасываются с поверхности твердого материала, такого как металл, под воздействием солнечного света.Любой материал, который реагирует на это воздействие солнечного света, считается фотоэмиссионным материалом , а выбрасываемые электроны называются фотоэлектронами . Не позволяйте терминам сбить вас с толку; на самом деле нет ничего отличного от электрона, испускаемого под воздействием солнечного света, от электрона, который летает по цепи от батареи или прямого источника питания. Все они выполняют одну и ту же работу и остаются одинаковыми по массе, заряду, вращению и магнитному движению.

Электроны выбрасываются из материала в зависимости от типа электромагнитного излучения.(Источник изображения)

С фотоэлектрическим эффектом, закрепленным Эйнштейном, мир вскоре обратился к созданию первых фотогальванических (PV) элементов из селена. Это было только начало, и в 1950-х годах Bell Labs разработала фотоэлектрическую ячейку, достойную удовлетворить сегодняшние потребности в солнечной энергии с помощью кремния. Этот первый кремниевый фотоэлемент достиг колоссального четырехпроцентного преобразования энергии, но в то время изобретение было новаторским.

Реклама Bell labs 1954 года!

С 1950-х годов кремниевые фотоэлементы продолжали повышать свою эффективность, но то, как они функционируют в системе солнечных панелей, в основном остается прежним.Вот процесс с точки зрения высокого уровня, прежде чем мы углубимся в детали

  • Частицы света, называемые фотонами, сначала проникают в фотоэлектрическую ячейку, которая передает свою энергию потерянным электронам. Эти электроны сбиваются со своей орбиты в атоме кремния.
  • Затем свободные электроны ищут путь наименьшего сопротивления к пустой дырке в другом атоме, но, как и при всех других методах манипулирования электронами, мы сначала заставляем их выполнять некоторую работу, путешествуя по цепи.
  • Когда электроны покидают солнечный элемент в виде электрического тока, они проходят через проводной канал и попадают в инвертор. Это устройство преобразует то, что в настоящее время является стабильным постоянным током (DC), в переменный ток (AC), который может обеспечить электроэнергией дома, предприятия, электростанции и даже электросеть.
  • Как только наши устройства и инфраструктура будут запитаны, электрический ток будет течь обратно по цепи солнечной системы, находя покой в ​​твердом контактном слое в нижней части солнечной панели, создавая замкнутый контур.

Здесь мы видим типичную солнечную панель , установленную в жилом доме. (Источник изображения)

Внутреннее устройство солнечных батарей

Каждая солнечная панель состоит из набора отдельных солнечных элементов , и именно внутри этих элементов происходит вся магия преобразования световой энергии в солнечное электричество. Солнечные элементы обычно состоят из двух внутренних слоев полупроводниковых пластин. Возможно, вы слышали об этом материале, так как в настоящее время они используются в микропроцессоре вашего компьютера и интегральных схемах (ИС), которые вы можете использовать на печатных платах (PCB).

По сравнению с другими материалами, которые позволяют электричеству легко проходить через них (проводники) или вообще не (индукторы), кремний находится где-то посередине, не проводя и не изолируя электричество полностью. Отсюда и название полупроводник.

Кристалл кремния в его первоначальном виде, один из самых распространенных минералов в мире. (Источник изображения)

В чистом виде кремний обычно не проводит электричество, потому что 10 из 14 его электронов уже спарены.Однако во внешней оболочке кремния содержится только половина (4) электронов от необходимого, и поэтому он стремится к связи с другими соседними атомами, чтобы собрать оставшиеся электроны и найти баланс. Мы нашли способ воспользоваться этим недостатком электронов, поощряя кремний проводить электричество в процессе легирования.

Легирование — это процесс добавления вторичного атома в кристаллическую структуру кремния, который изменяет количество электронов в материале. Например, если вы легируете кремний фосфором, который имеет пять электронов на внешней оболочке, у вас теперь будет девять полных электронов и один дополнительный электрон, которым можно манипулировать, чтобы освободиться и создать электрический ток.Когда электрон вырывается в легированном кремнии, он считается свободным носителем и будет метаться в поисках свободного места для отдыха.

В солнечных элементах нижний слой кремния легирован бором, который придает кремнию положительный заряд, называемый кремнием n-типа. Верхний слой кремния легирован фосфором, который придает этому слою кремния отрицательный заряд, называемый кремнием p-типа. И когда вы соединяете эти два слоя кремния n-типа и p-типа вместе, вы создаете соединение, называемое соединением P-N.

Здесь вы можете увидеть P-N переход в типичном солнечном элементе. (Источник изображения)

В этот момент электроны будут двигаться, пытаясь устранить дисбаланс и в процессе создавая электрическое поле. Это поле действует как стандартные компоненты диода, позволяя электронам течь только из слоя p-типа в слой n-типа. Проблема в том, что в то время как электроны в слое p-типа могут попасть туда, куда им нужно, электроны n-типа блокируются PN-переходом.Что им делать?

Добавляя внешнюю цепь поверх слоя n-типа в солнечном элементе, вы обеспечиваете путь для ваших электронов n-типа, чтобы добраться до желаемого места назначения в слое p-типа. Следуя по пути наименьшего сопротивления, электроны n-типа затем будут течь через набор тонких проводов, вокруг полной цепи, чтобы обеспечить питанием наши дома, и завершать цепь, когда они собираются в слое p-типа. Этот обмен между кремнием n-типа и p-типа происходит снова и снова, поскольку световые фотоны выбивают электроны, и поэтому мы получаем устойчивый поток тока от наших солнечных элементов.

Типы солнечных батарей

Отдельный солнечный элемент будет генерировать всего несколько ватт энергии, поэтому они должны быть сгруппированы вместе, чтобы выполнять тяжелую работу. Когда вы группируете солнечные элементы вместе, чтобы сделать большую единицу, вы создаете солнечный модуль . Затем эти модули можно снова объединить в единую солнечную панель . На крыше дома вы обычно найдете сотни солнечных элементов, упакованных в набор панелей. На более крупных солнечных фермах вы найдете тонны солнечных панелей, собранных вместе на массивных металлических каркасах, и они образуют солнечные батареи для выработки тонны солнечной электроэнергии.

Будь то солнечная панель или солнечная батарея, солнечные элементы не существуют изолированно. Кремний — это материал с высокой отражающей способностью, и если мы подвергнем этот материал воздействию солнечного света, весь свет будет отражаться от него. Чтобы решить эту проблему, производители обычно наносят на кремний антибликовое покрытие, чтобы свести к минимуму любые потери при захвате световой энергии. Затем этот кремний с покрытием будет покрыт стеклянной крышкой, которая придает солнечному элементу его типичный сине-черный непрозрачный цвет.

Независимо от того, сколько солнечных элементов вы можете упаковать в панель, все они могут быть разбиты на один из трех типов:

Монокристаллические элементы

Эти солнечные элементы сначала изготавливаются из длинных цилиндров из кремния, а затем нарезаются на тонкие пластины. Производственный процесс изготовления монокристаллических элементов очень точен и позволяет производить элементы с самым высоким КПД среди всех типов, равным 23%.

Поликристаллические элементы

Эти солнечные элементы сначала изготавливаются из расплавленного кремния, который затем нарезается на тонкие квадраты.Процесс производства поликристаллов недорог по сравнению с монокристаллами, но также приводит к снижению эффективности преобразования энергии примерно на 20%.

Моно (одиночные) и поликристаллические элементы рядом друг с другом. (Источник изображения)

Тонкопленочные солнечные элементы

Эти солнечные элементы почти в 100 раз тоньше, чем монокристаллические или поликристаллические элементы, и вы можете обнаружить, что они изготовлены из альтернативных материалов, таких как теллурид кадмия (CdTe) или диселенид меди, индия и галлия (CIGS).Благодаря своей легкости и гибкости эти ячейки «второго поколения» можно применять к различным материалам подложки, таким как металл, пластик или стекло. Однако это повышение гибкости также приводит к падению эффективности примерно на 7-12%.

Тонкопленочные солнечные элементы стали более гибкими и легкими. (Источник изображения)

Проблемы с эффективностью

В этот момент у вас может возникнуть вопрос: почему мы производим солнечные батареи, которые улавливают не более 20% доступного солнечного света? Даже теоретические максимумы эффективности солнечных элементов ограничивают их до 30% в соответствии с пределом Шокли-Квиссера .В чем проблема?

Солнечный свет производит не только один вид фотонов. Если вы когда-нибудь видели электромагнитный спектр, то знаете, что свет на самом деле имеет множество разновидностей, многие из которых невидимы. Все эти спектры света основаны на определенной частоте и длине волны.

Солнечный свет производит множество фотонов, лишь небольшую часть которых мы можем видеть. (Источник изображения)

Кремний оптимизирован только для захвата определенного частотного диапазона фотонов.Например, у некоторых фотонов, попавших в ячейку на основе кремния, недостаточно энергии, чтобы выбить электроны. У других фотонов может быть слишком много энергии, и они выбьют электрон, но любая избыточная энергия будет потрачена впустую. Существует только точное количество энергии фотона, измеряемое в электрон-вольтах (эВ), которое требуется, чтобы выбить электрон. Для кремния достаточно около 1,1 эВ. Любая энергия фотонов выше и ниже этого порога в конечном итоге превращается в потраченный впустую потенциал.

Материалы имеют определенные запрещенные зоны, в которых они могут поглощать световую энергию.(Источник изображения)

Полоса частот фотонов — не единственная проблема, влияющая на эффективность использования солнечной энергии. Существует также проблема того, как далеко электроны должны пройти внутри солнечной панели, пока не достигнут места назначения. Поскольку кремний является полупроводником, любой электрон, проходящий по нему, сталкивается с довольно высоким сопротивлением. Чем дальше вы разместите клеммные контакты от кремниевого материала на панели, тем дальше должны двигаться ваши электроны и, следовательно, больше сопротивление.Как известно любому знающему разработчику электроники, чем выше сопротивление, тем больше энергии вы теряете.

Чтобы свести к минимуму эти потери, солнечные элементы обычно покрывают металлической сеткой, которая сокращает расстояние, которое они должны пройти до клеммного соединения. Некоторые производители также укладывают солнечные элементы из различных материалов, каждый из которых имеет разную ширину запрещенной зоны . Этот стек из нескольких материалов позволяет поглощать больше частот фотонов, что увеличивает общую эффективность солнечного элемента.

Взвешивание плюсов и минусов Solar

Стоит ли использовать солнечные технологии? Когда на солнечную энергию полагаются как на единственное средство производства энергии, она по-прежнему сопряжена со многими проблемами. Однако при использовании в сочетании с другими источниками электроэнергии вы найдете солнечную энергию в лучшем виде.

Солнечная энергия по-прежнему используется даже в пасмурных местах. (Источник изображения)

Профи

Возьмем, к примеру, способность солнечных панелей генерировать электроэнергию по мере необходимости в непосредственной близости.Дом, оборудованный солнечными панелями на крыше, будет производить электроэнергию именно там, где это необходимо. Это может помочь коммунальным компаниям избежать чрезмерного спроса и нагрузки на свои системы распределения и передачи, позволяя домам или предприятиям получать электроэнергию на месте с помощью солнечных батарей.

В жаркий летний день, когда все включают кондиционеры на полную мощность, солнечные панели обеспечивают идеальный энергетический баланс. Ваши неотложные потребности в энергии удовлетворяются солнечными панелями, что снижает нагрузку на системы передачи электроэнергии из сети.Все это приводит к меньшему количеству отключений электроэнергии и, в конечном счете, к системе, менее зависящей от единственной точки отказа для питания мира.

Модульная технология солнечной энергетики также имеет преимущество. В ситуации, когда одна солнечная панель повреждена, остальная часть системы может продолжать работать. Это контрастирует с чем-то вроде атомной электростанции, которая склонна к полному отказу, если одна система перестанет работать.

Минусы

Есть также некоторые проблемы для солнечной технологии.Например, когда дом не потребляет всю энергию, которую он вырабатывает из солнечной энергии, эта энергия обычно возвращается в сеть через «фидерные» линии. Внедрение этих линий может дорого обойтись коммунальным компаниям, поскольку в будущем использование солнечной энергии будет расширяться.

Существует также вопрос о том, как солнечная энергия передается пользователям. В то время как солнечные панели в доме обеспечивают энергию там, где это необходимо, существуют также массивные солнечные фермы, которые должны передавать всю вырабатываемую ими электроэнергию по линиям электропередачи.Как и в любом материале, по которому движется ток, в процессе передачи всегда происходит потеря энергии в виде тепла, которое невозможно восстановить.

Последней серьезной проблемой является тот факт, что солнечный свет не является постоянной переменной, которая может включаться и выключаться по нашему выбору. В пасмурную погоду выработка энергии солнечными панелями резко падает. Из-за этого многие коммунальные компании используют солнечную энергию в сочетании с другими источниками энергии, чтобы сбалансировать ежедневные потребности.

Будущее солнечной технологии

Прогуляйтесь по любому району Соединенных Штатов, и вы обязательно увидите, что из года в год все больше солнечных батарей используются.Только за последние десять лет цена на солнечные технологии упала более чем на 60%, что сделало эту некогда дорогую технологию доступной для средних домохозяйств и предприятий.

А как насчет достижений в области солнечной энергии? Растет количество исследований и разработок, направленных на создание более эффективных солнечных технологий. Одним из них является перовскитовый солнечный элемент . На текущем этапе перовскитовая ячейка оказывается дешевле, чем кремниевые, но столь же эффективной.Этот материал состоит из кристаллической структуры оксида кальция и титана и может быть изготовлен при комнатной температуре гораздо более простыми методами, чем требуется для кремния.

Перовскитные элементы представляют собой новую экономичную альтернативу кремниевым элементам. (Источник изображения)

Этот материал полностью заменит кремниевые элементы? Скорее всего, не. Вместо этого компании ищут способы объединить перовскит и кремний в одном элементе. При этом оба материала смогут улавливать фотоны на разных длинах волн, что увеличивает общую эффективность ячейки.

Исследователи говорят, что до того момента, когда перовскит будет готов к использованию в прайм-тайм, пройдет еще добрых 5-10 лет, но ранние эксперименты выглядят многообещающе с эффективностью 20%, что соответствует кремнию. Но сможет ли перовскит когда-нибудь свергнуть кремний как лидера отрасли? Это будет тяжелая битва, если это цель.

Может ли солнечная энергия спасти мир?

Можем ли мы полагаться только на солнечную энергию, чтобы обеспечить мир устойчивым источником энергии? Существует множество переменных, требующих улучшений, таких как повышение эффективности и дальнейшее развитие инфраструктуры.Мы думаем, что будущее может стать реальностью, в которой солнечная энергия станет всего лишь одним маленьким кусочком более крупной головоломки, связанной с устойчивой энергетикой.

Удивительно узнать, как даже солнечные элементы полагаются на основные принципы электричества, чтобы творить свое волшебство. Все начинается с кремниевых полупроводников, которые взаимодействуют с фотонами солнечного света, генерируя полезный электрический ток. Оттуда мы можем использовать основные принципы схем, как и во всех наших электронных устройствах, для питания наших домов, предприятий и образа жизни.

Есть отличная идея для проекта электроники на солнечной энергии? Подпишитесь на Autodesk EAGLE сегодня!

Принцип работы | Green Energy Solutions

Баланс системных компонентов фотоэлектрической системы (BOS) уравновешивает генерирующую подсистему солнечной батареи (слева) с потребляющей энергию частью бытовых устройств переменного тока и коммунальной сети (справа). ).

Фотогальваническая система для бытового, коммерческого или промышленного энергоснабжения состоит из солнечной батареи и ряда компонентов, которые часто называют балансом системы (BOS).Этот термин является синонимом «Баланс завода». Компоненты BOS включают в себя оборудование для кондиционирования электропитания и монтажные конструкции, как правило, один или несколько преобразователей мощности постоянного тока в переменный ток, также известных как инверторы, устройство накопления энергии, стеллажную систему, поддерживающую солнечную батарею, электрическую проводку и межсоединения, а также монтаж для другие компоненты.

По желанию, баланс системы может включать в себя любой или все из следующего: измеритель уровня доходов от возобновляемой энергии, трекер точки максимальной мощности (MPPT), аккумуляторная система и зарядное устройство, GPS-трекер солнечной энергии, программное обеспечение для управления энергопотреблением, датчики солнечной радиации, анемометр или аксессуары для конкретных задач, разработанные для удовлетворения особых требований владельца системы.Кроме того, для системы CPV требуются оптические линзы или зеркала, а иногда и система охлаждения.

Термины «солнечная батарея» и «фотоэлектрическая система» часто неправильно используются как синонимы, несмотря на то, что солнечная батарея не охватывает всю систему. Более того, «солнечная панель» часто используется как синоним «солнечный модуль» , хотя панель состоит из цепочки из нескольких модулей. Термин » солнечная система » также часто используется неправильно для фотоэлектрической системы.

Солнечная батарея

Обычные солнечные элементы c-Si, обычно соединенные последовательно, заключены в солнечный модуль для защиты от непогоды. Модуль состоит из закаленного стекла в качестве покрытия, мягкого и гибкого герметика, заднего листа из атмосферостойкого и огнестойкого материала и алюминиевой рамы по внешнему краю. Электрически соединенные и установленные на несущей конструкции, солнечные модули составляют цепочку модулей, часто называемую солнечной панелью. Солнечная батарея состоит из одной или нескольких таких панелей.Инвертор для преобразования постоянного тока, вырабатываемого модулями, в переменный ток, который может питать свет, двигатели и другие нагрузки. Модули в массиве фотоэлектрических модулей обычно сначала соединяют последовательно, чтобы получить желаемое напряжение; затем отдельные цепочки соединяются параллельно, чтобы система могла производить больший ток. Солнечные панели обычно измеряются при STC (стандартные условия испытаний) или PTC (условия испытаний PVUSA) в ваттах.

Модуль и эффективность

Типичный фотоэлектрический модуль мощностью 150 Вт имеет размер около квадратного метра.Можно ожидать, что такой модуль будет производить в среднем 0,75 киловатт-часа (кВтч) каждый день, с учетом погоды и широты, при инсоляции 5 солнечных часов в день. За последние 10 лет эффективность средних коммерческих модулей кристаллического кремния на основе пластин увеличилась примерно с 12% до 16%, а эффективность модуля CdTe увеличилась с 9% до 13% за тот же период. Производительность и срок службы модуля снижаются из-за повышения температуры. Позволяя окружающему воздуху проходить над фотоэлектрическими модулями и, если возможно, позади них, эта проблема уменьшается.Эффективный срок службы модуля обычно составляет 25 лет и более.

Как работают солнечные батареи | HowStuffWorks

Кремний обладает некоторыми особыми химическими свойствами, особенно в его кристаллической форме. Атом кремния имеет 14 электронов, расположенных на трех разных оболочках. Первые две оболочки, содержащие два и восемь электронов соответственно, полностью заполнены. Однако внешняя оболочка заполнена только наполовину и содержит всего четыре электрона. Атом кремния всегда будет искать способы заполнить свою последнюю оболочку, и для этого он поделится электронами с четырьмя соседними атомами.Это похоже на то, как каждый атом держится за руки со своими соседями, за исключением того, что в этом случае у каждого атома есть четыре руки, соединенные с четырьмя соседями. Это то, что формирует кристаллическую структуру , и эта структура оказывается важной для этого типа фотоэлемента.

Единственная проблема заключается в том, что чистый кристаллический кремний является плохим проводником электричества, потому что ни один из его электронов не может свободно перемещаться, в отличие от электронов в более оптимальных проводниках, таких как медь. Чтобы решить эту проблему, кремний в солнечном элементе имеет примесей — другие атомы, намеренно смешанные с атомами кремния, — что немного меняет принцип работы.Обычно мы думаем о примесях как о чем-то нежелательном, но в данном случае без них наша клетка работать не будет. Рассмотрим кремний с атомом фосфора здесь и там, может быть, один на каждый миллион атомов кремния. Фосфор имеет пять электронов на внешней оболочке, а не четыре. Он по-прежнему связан с соседними атомами кремния, но в каком-то смысле у фосфора есть один электрон, которому не с кем держаться за руки. Он не является частью связи, но в ядре фосфора есть положительный протон, удерживающий его на месте.

Когда к чистому кремнию добавляется энергия, например, в виде тепла, это может привести к тому, что несколько электронов разорвут свои связи и покинут свои атомы. В каждом случае остается отверстие. Эти электроны, называемые свободными носителями , затем беспорядочно блуждают по кристаллической решетке в поисках другой дыры, в которую можно попасть, и переносят электрический ток. Однако в чистом кремнии их так мало, что они не очень полезны.

Но наш нечистый кремний с примесью атомов фосфора — это совсем другая история.Требуется намного меньше энергии, чтобы выбить один из наших «лишних» электронов фосфора, потому что они не связаны связью с какими-либо соседними атомами. В результате большинство этих электронов вырываются на свободу, и у нас гораздо больше свободных носителей, чем было бы в чистом кремнии. Процесс добавления примесей специально называется легированием , а при легировании фосфором полученный кремний называется N-типа («n» для отрицательного) из-за преобладания свободных электронов. Легированный кремний N-типа является гораздо лучшим проводником, чем чистый кремний.

Другая часть типичного солнечного элемента легирована элементом бором, который имеет только три электрона во внешней оболочке вместо четырех, чтобы стать кремнием P-типа. Вместо свободных электронов P-типа («p» для положительного) имеет свободные отверстия и несет противоположный (положительный) заряд.

На следующей странице мы более подробно рассмотрим, что происходит, когда эти два вещества начинают взаимодействовать.

Работают ли солнечные панели ночью?

Солнечная батарея

обеспечивает свободу энергии

Это твой дом, твоя энергия.Используйте его, когда хотите. Второй способ, которым солнечные панели могут косвенно питать ваш дом в ночное время, — это хранение аккумуляторов. Солнечные батареи работают в ночную смену, чтобы максимально использовать дневную производительность ваших панелей.

Солнечные панели наполняют вашу батарею энергией солнца. Итак, у вас есть электроэнергия, запасенная для будущего использования. Благодаря этой накопленной солнечной энергии ваша батарея обеспечивает питание в течение всей ночи. Вместо того, чтобы отправлять лишнюю электроэнергию в сеть, сохраняйте ее для себя.

Сначала вы будете потреблять электроэнергию из хранилища солнечной батареи, а затем из сети.Установка солнечной батареи вместе с солнечными панелями снижает вашу зависимость от устаревшей сети и позволяет зафиксировать значительно более низкие счета за электроэнергию.

Аккумулятор на солнечных батареях дает вам контроль над вашими финансами и душевное спокойствие. Домовладельцы также ценят резервное питание от батарей во время отключений электроэнергии. Коммунальные сети выходят из строя либо из-за технических сбоев, либо из-за стихийных бедствий, таких как лесные пожары. Защитите себя днем ​​и ночью с помощью домашнего аккумулятора.

Аккумуляторное хранилище дает вам доступ к собственному электричеству, когда солнечные батареи бездействуют.Солнечные батареи — лучшее энергетическое решение для резервного питания в ночное время.

Настало время создавать собственную энергию. С батареей ваша солнечная установка становится устойчивым решением для хранения энергии 24/7. Аккумулятор Sunrun Brightbox поможет вам.

Net Metering and Battery Storage работают в тандеме

Сегодня большинство систем с солнечными панелями подключаются к сети и включают чистые измерения там, где это предлагается. Кроме того, домохозяйства все чаще устанавливают аккумуляторные батареи.Эти два непрямых решения могут работать в тандеме ночью, чтобы максимизировать вашу энергетическую безопасность и минимизировать счета за электричество.

Вы можете запрограммировать свою батарею на получение электричества из сети только после того, как она разрядится. Или настройте сетевое измерение и хранение солнечной батареи для одновременной работы.

Солнечные батареи после всей их тяжелой работы днем ​​отдыхают ночью. Сотрудничая с солнечными панелями с сетевым счетчиком и / или солнечной батареей, такой как Brightbox от Sunrun, вы получите надежное, устойчивое энергетическое решение, которое работает для вас 24/7.

Используйте солнце по максимуму

Солнце — наш самый богатый устойчивый ресурс. В то время как солнечные панели могут не работать ночью, солнечная батарея Brightbox передает энергию в ваши руки. Аккумуляторы максимально эффективно используют продуктивные часы ваших солнечных панелей и повышают энергоэффективность вашего дома. Итак, постройте светлое будущее, уменьшив свой углеродный след с помощью чистой солнечной энергии.

Сегодняшние экстремальные климатические проблемы и опасности, связанные с ископаемым топливом, влияют на наши сообщества, наш образ жизни и планету.Аккумуляторы на солнечных батареях — очевидное решение для получения энергии в ночное время и в чрезвычайных ситуациях.

Сохраните солнечные дни для ненастных с солнечными панелями Sunrun и аккумулятором Brightbox. Вместе мы можем сделать его ярче каждый день и ночь. Посмотрите, подходите ли вы сегодня.

Что такое солнечные панели и как они производят электроэнергию? — Материалы и инженерные ресурсы

Глобальная энергетическая экономика меняет механизм. Стоимость солнечной энергии падает в цене настолько резко, что в большей части мировая солнечная энергия теперь дешевле, чем энергия, получаемая из ископаемого топлива .

Согласно недавнему отчету Energy Innovation, ветровая и солнечная энергия сейчас дешевле , чем примерно три четверти производства электроэнергии на угле в США. В мае 2019 года Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) сообщило, что новые фотоэлектрические проекты в некоторых странах, таких как Чили, Мексика, Перу, Саудовская Аравия и ОАЭ, позволили снизить стоимость электроэнергии в размере до 0,03 доллара США за кВтч. по сравнению с новыми электростанциями на ископаемом топливе, стоимость которых во всем мире колеблется от 0 долларов.05/кВтч до более $0,15/кВтч. Более того, IRENA прогнозирует сохранение этой тенденции по крайней мере в течение следующих десяти лет .

Нельзя отрицать, что солнечная энергия была и будет оставаться основным игроком в будущем энергетической экономики. Предприятия и домохозяйства выиграют от снижения цен на возобновляемые источники энергии. Понимание солнечной энергии и , как использовать ее в своих интересах, будет иметь важное значение для обоих в ближайшие годы.

Здесь мы собираемся ответить на ключевые вопросы о солнечной энергии:

  • Что такое солнечные батареи
  • Как работают солнечные батареи?
  • Как солнечные батареи производят электричество?
  • И каков процесс установки?

Что такое солнечные панели?

Итак, давайте начнем с основ. Если вы не видели их на крышах или в полях, вы видели их в СМИ. Большие синие панели, которые каким-то образом бесшумно генерируют чистое электричество.Но из каких материалов они состоят? Почему отдельные клетки имеют такую ​​специфическую форму? Почему они занимают так много места? А почему они синие?

Профессиональный техник устанавливает солнечную панель на металлическую платформу с помощью отвертки. Установка внешней солнечной системы, концепция производства возобновляемой зеленой энергии.

Солнечные панели , иногда называемые солнечными модулями , состоят из отдельных солнечных элементов . Эти клетки преобразуют световую энергию солнца в электрическую энергию. Затем его можно либо сохранить, либо использовать напрямую . Каждая ячейка может генерировать в диапазоне 5 Вт , что примерно достаточно для питания зарядного устройства для смартфона . Чтобы питать что-то большее (то есть большинство вещей), элементы должны быть соединены вместе, чтобы сформировать солнечную панель.

Элементы чаще всего изготавливаются из кремния , многие в виде монокристалла . Эти монокристаллические кремниевые элементы нарезаны из большого цилиндрического кристалла кремния .Таким образом, чтобы максимально увеличить размер солнечного элемента, который можно вырезать из такого круглого среза, приходится жертвовать краями.

Солнечная батарея состоит из нескольких солнечных панелей. Каждая солнечная панель обычно состоит из 60-72 солнечных элементов.

Как насчет солнечной панели размера ? Типичные солнечные панели имеют около от 60 до 72 ячеек и номинальную мощность около 320 Вт . Ежедневное потребление энергии средним домом в США составляет около 32 000 ватт-часов (32 кВтч), в Великобритании около 12.7 кВтч, а в Индии около 2,5 кВтч, по данным 2010 года. Приведя несколько цифр, это означает, что среднему американскому дому потребуется массив из 30 панелей, чтобы генерировать всю свою энергию от солнечной энергии.

Какой физический принцип лежит в основе солнечной энергии ? Оказывается, есть несколько способов поймать солнечные лучи. Есть несколько различных технологий солнечной энергии , в том числе солнечная тепловая , концентрированная солнечная и солнечная фотоэлектрическая или фотоэлектрическая.Первые два преобразуют солнечную энергию в тепловую энергию , а последний преобразует солнечную энергию в электрическую энергию .

PV — наиболее распространенный номер , который большинство людей представляет себе, когда думают о солнечных панелях. Эти фотоэлектрические панели изготовлены из кремния , как описано выше, причем наиболее распространены два типа: монокристаллический и поликристаллический кремний . Поликристаллические солнечные панели , как правило, состоят не из отдельных ячеек, а из одного большего куска кремния.Другие фотоэлектрические технологии включают тонкопленочные фотоэлементы и концентрированные фотоэлектрические элементы.

Все фотоэлектрические технологии работают по одному и тому же принципу , поэтому, чтобы не усложнять задачу, давайте сосредоточимся на кремниевых элементах и ​​на том, как они работают.

Как работают солнечные панели?

Кремниевые солнечные панели и, следовательно, солнечные элементы имеют очень простой принцип работы . Солнечный свет попадает на клетку, и заставляет электроны покинуть их стабильное положение .Они покидают кремний, а проходят через электрическую цепь , питая наши устройства.

Солнечные элементы состоят из нескольких слоев, включая слои легированного кремния, металлические электроды, просветляющее покрытие и прозрачный защитный слой.

Солнечные элементы состоят из нескольких слоев:

1. Прозрачный защитный слой

Этот первый слой обычно сделан из стекла или другого прозрачного материала , который позволяет свету проходить через кремний под ним, защищая кремниевые и металлические слои от повреждений окружающей средой.

2. Антибликовое покрытие

Этот слой впечатляет. Слой кремния сам по себе имеет высокую отражательную способность и приводит к отражению около 30 % падающего на него света. Антибликовое покрытие значительно уменьшает количество отраженного света , позволяя свету проходить через кремниевый слой, но не выходить наружу. Он делает это, будучи точно правильной толщины.

Свет действительно отражается как от верхней, так и от нижней части просветляющего слоя, однако толщина слоя идеально подобрана так, что световые волны, отраженные от любой поверхности, точно компенсируют друг друга ( называется деструктивная интерференция ).В результате остается только свет, прошедший через просветляющий слой .

Загвоздка, однако, в том, что это подавление света зависит от длины волны света . Поскольку солнечный свет представляет собой смесь множества длин волн (цветов радуги), антиотражение не может работать идеально, , но его можно оптимизировать для определенных длин волн. Получается, что причина синего цвета солнечных элементов заключается в том, что просветляющий слой наиболее эффективен, когда уменьшает отражение от зеленого – через желтый – к красной области спектра, оставляя синего отражаться чуть больше , чем другие цвета.

3. Кремний

В P-типе и N-типа кремния происходит волшебство. Здесь самый важный свет расщепляет электроны и генерирует ток . Это достигается за счет использования двух немного разных типов кремния , находящихся в контакте друг с другом .

Один имеет положительный заряд (P-тип), а другой — отрицательный (N-тип). Это приводит к напряжению на обоих типах . Свет (через фотоны) сообщает энергию электронам в этих двух типах кремния, что позволяет им проходить через электрическую цепь с помощью вышеупомянутого напряжения.Это будет объяснено более ясно ниже!

Солнечные элементы с поликристаллическим кремнием.

4. Металлические контакты

После того, как электроны были мобилизованы в кремнии , их необходимо извлечь через металлические проводники . Нижний контакт представляет собой простую металлическую пластину , покрывающую всю площадь солнечного элемента. Передний контакт солнечного элемента представляет собой сетку . Это делается для того, чтобы максимизировать количество света, достигающего кремния, при минимизации длины, которую электроны должны пройти через кремний, прежде чем достичь металла.

Если бы металлический контакт покрывал всю поверхность, свет не проходил бы сквозь него. Если бы металл проходил только по внешнему краю солнечного элемента, большинство электронов вообще не достигло бы контакта.

Как солнечные батареи производят электричество?

Итак, теперь мы знаем основные части солнечной батареи. Но что на самом деле происходит внутри кремния? Чтобы ответить на этот вопрос, во-первых, мы должны понять, что кремний не является материалом с высокой проводимостью , как металл, и при этом он не совсем плох в проводимости, как изолятор, такой как резина.Вместо этого он находится где-то посередине.

Кремний является полупроводником , что означает, что в нормальных условиях он имеет низкую проводимость и резко возрастает при определенных других условиях, таких как при приложенном напряжении . Вот почему его можно использовать в качестве переключателя в интегральных схемах .

Чтобы проверить вашу солнечную панель, вам понадобится тестер солнечной панели, известный как амперметр. Чтобы измерить выходную мощность вашей солнечной панели, вам нужно будет подключить измеритель к положительному и отрицательному.Чтобы получить точные измерения, вам необходимо убедиться, что ваша панель находится под прямым солнечным светом во время тестирования.

Кристаллический кремний использует свои четыре доступных электрона для связи с четырьмя окружающими атомами кремния . Следовательно, у него не осталось электронов для проведения электричества. Если мы добавим небольшое количество фосфора , который имеет пять доступных электронов, к кремнию мы эффективно добавим дополнительный электрон на каждый дополнительный атом фосфора.Это называется допинг. Эта область кремния теперь отрицательно легирована, поэтому мы называем ее полупроводником N-типа.

То же самое можно сделать с бором , у которого на один электрон меньше, чем у кремния. Это удаляет электрон из кремниевой структуры. Возникающее в результате отсутствие электрона действует как эффективный положительный заряд , который мы называем дыркой. Эта область кремния называется P-типом. Теперь мы можем создать кремниевую пластину с верхней частью из кремния N-типа и нижней частью из кремния P-типа .

Чем больше света попадает на солнечную панель, тем больше энергии она производит. Пыль, грязь, пыльца, птичий помет и другой мусор могут негативно повлиять на эффективность солнечной панели. Именно поэтому важно регулярно их чистить.

Когда кремний N-типа и P-типа находятся в контакте , дополнительные электроны в N-типе стремятся объединиться с дырками P-типа, создавая зону без свободных электронов или дырок , называется обедненным слоем. Теперь, поскольку атомы фосфора потеряли свой пятый электрон, они теперь имеют суммарный 90 571 положительный заряд 90 572 .Атомы бора, теперь с дополнительным электроном, имеют суммарный 90 571 отрицательный заряд 90 572 . Результатом является электрическое поле между двумя областями или, что более важно, напряжение (напряжение — это электрическое поле, деленное на заряд).

Теперь у нас есть кремниевый полупроводник с напряжением . Но все электроны в обедненном слое не могут двигаться. Если мы сможем дать им энергию для движения , напряжение подскажет им, куда идти. Эта энергия исходит от солнечного света.

Солнечные панели на Мадагаскаре. Мадагаскар обладает большим потенциалом солнечной энергии. Почти все регионы Мадагаскара получают более 2800 солнечных часов в год, при этом дневная солнечная радиация колеблется от 1500 до 2100 кВтч/м2.

Свет можно рассматривать как частицы энергии, называемые фотонами . Когда фотон с правильной энергией сталкивается с электроном в слое обеднения, 90 571, он выбивает электрон из его положения, 90 572 , (повторно) создавая электронно-дырочную пару.Под действием напряжения электрон мигрирует в одну сторону кремния , а дырка в другую.

Теперь, когда мы соединяем электрический проводник (провод) с одной стороны пластины на другой, электроны могут течь через этот проводник .

Надеюсь, теперь вы знаете основы того, что такое солнечные панели и солнечные батареи и как они работают. Чтобы узнать, как установить солнечные панели для вашего дома или бизнеса, прочитайте солнечные панели: каков процесс установки? (Скоро…)

«Я хочу, чтобы читатели смотрели на материалы с таким же увлечением, как и я, и видели, как они повлияют на наше будущее».

Бенджамин Стаффорд
Доктор философии. по физике

*Эта статья является работой приглашенного автора, указанного выше. Приглашенный автор несет полную ответственность за точность и законность своего содержания. Содержание статьи и выраженные в ней взгляды принадлежат исключительно этому автору и не отражают точку зрения Matmatch или каких-либо нынешних или прошлых работодателей, академических учреждений, профессиональных обществ или организаций, с которыми автор в настоящее время или ранее был связан.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.