Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии.

В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию.

Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца.

В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный.

Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Немного истории

Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века.

Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций.

Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

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

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

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Принцип работы

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

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины.

Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение.

Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

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

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Устройство

Конструкция солнечной батареи очень проста.

Основу конструкции устройства составляют:

  • корпус панели;
  • блоки преобразования;
  • аккумуляторы;
  • дополнительные устройства.

Корпус выполняет исключительно функцию скрепления конструкции, не имея больше никакой практической пользы.

Основными элементами являются блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний. Можно сказать, что состоят солнечные батареи, устройство и принцип работы которых всегда одинаковый, из каркаса и двух тонких слоев кремния, который может быть нанесен на поверхность, как монокристаллическим, так и поликристаллическим методом.

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность. Если кремний наносится монокристаллическим способом, то эффективность батареи будет максимально высокой, как и стоимость.

Если говорить о том, как работает солнечная батарея, то не нужно забывать об аккумуляторах. Как правило, используется два аккумулятора. Один является основным, второй — резервным. Основной накапливает электроэнергию, сразу же направляя ее в электрическую сеть. Второй накапливает избыточную электроэнергию, после чего направляет ее в сеть, когда напряжение падает.

Среди дополнительных устройств можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата.

Очень важными элементами солнечной назвать диоды. Данный элемент устанавливается на каждую четвертую часть блока преобразователей, защищая конструкцию от перегрева из-за избыточного напряжения. Если диоды не установлены, то есть большая вероятность, что после первого дождя система выйдет из строя.

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Как подключается

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

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Разновидности солнечных батарей

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

Выделяют три вида фотоэлементов:

  • поликристаллические;
  • монокристаллические;
  • аморфные.

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

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

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

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Преимущества и недостатки

Основные преимущества солнечных батарей:

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

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Недостатки:

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

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Как добиться максимальной эффективности

При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час.

В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.

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

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

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

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

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

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

Видео

Как устроена солнечная батарея, расскажет наше видео.

Принцип работы и устройство солнечной батареи

В этой статье мы рассмотрим устройство солнечной батареи. Современная солнечная батарея представляет собой соединение фотоэлементов, которое может преобразовывать солнечное электромагнитное излучение в электрическую энергию. Ее основными составляющими являются фотоэлементы, от количества которых зависит вырабатываемое напряжение и сила тока.

Устройство солнечной батареи основано на явлении внутреннего фотоэлектрического эффекта, которое впервые было открыто ученым Эдмондом Беккерелем еще в 1839 году. В 1873 году другой ученый Уиллоуби Смит заметил такой эффект во время облучения солнечным светом пластины селена.

Наибольшее распространение солнечные батареи получили, начиная с середины двадцатого века.

Виды солнечных батарей и их предназначение

В настоящее время используется несколько разновидностей солнечных батарей. Все они отличаются длительным сроком эксплуатации, который зачастую превышает 30 лет. Это достигается за счет отсутствия в конструкции механических компонентов и расходных частей.

Наибольшее распространение сегодня получили три вида фотоэлементов:

  1. Монокристаллические;
  2. Поликристаллические;
  3. Тонкопленочные;
  4. Аморфные.

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Самым распространенным видом являются поликристаллические панели, которые отличаются оптимальным соотношением цены и эффективности. В большинстве случаев их КПД достигает 12-13 %.

Эти батареи отличаются кристаллической структурой и синим цветом. Монокристаллические солнечные панели являются более эффективными, так как их КПД достигает 15-16%.

Однако, с учетом стоимости одного ватта мощности, их использовании обходиться дороже.

Хотите экономить на электроэнергии? Тогда узнайте, как работают ветряные мельницы и где выгодно их устанавливать

Монокристаллические и поликристаллические батареи имеют схожие функции:

  • освещение жилых домов, хозяйств, тепличных комплексов;
  • освещение садовой, парковой зоны, улиц;
  • обеспечение электроэнергией медицинские и телекоммуникационные приборы;
  • энергоснабжение систем подачи и очистки воды;
  • подзарядка ноутбуков, мобильных телефонов.

Тонкопленочные обладают самым низким КПД, который не превышает 12%.

В то же время, за счет низкой цены фотоэлементов, которые входят в конструкцию, один ватт мощности электроэнергии здесь обходиться дешевле, чем в остальных батареях.

К тому же, тонкопленочные панели занимают в 2-3 раза большую площадь, чем моно- и поликристаллические. Поэтому, их лучше использовать для питания крупных систем мощностью более 10 кВт. Интересное: Солнечные батареи на 5 кВт.

Из какого материала изготавливаются солнечные батареи

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Наиболее распространенным материалом для изготовления солнечных панелей является кристаллический кремний. Монокристаллический кремний изготавливается по методу Чохральского или тигельным способом. Более простым для изготовления считается поликристаллический кремний, который по структуре представляет собой совокупность кристаллов. Также в качестве материала для изготовления фотоэлементов может использоваться ленточный кремний. Для его производства два тонких слоя кремния накладываются друг на друга. Он более дешевый в изготовлении, но и менее эффективный.

Читайте также:  ТЭНы для отопления: виды, принцип действия, правила выбора

Узнайте больше о самовозобновляемой и бесплатной энергии будущего. Солнечные батареи в действии.

Устройство солнечной батареи: основные элементы

Современное устройство солнечной батареи предусматривает обязательное наличие прочного корпуса, в котором будут размещаться фотоэлементы. Это связано с хрупкостью панелей. Корпус представляет собой коробку небольшого размера с небольшими боковыми ребрами.

При этом, ребра не должны мешать солнечному свету попадать на выходы элементов. Размер коробки определяется количеством солнечных элементов. Следующим элементом конструкции является подложка, которая располагается в корпусе прямо на панели.

Перед установкой подложки корпус нужно обработать специальными красками, которые имеют стойкость к микроорганизмам и влаге.

Кроме того, в корпусе должны быть вентиляционные отверстия, за счет которых будет поддерживаться определенная температура и выводиться газы, которые выделяются при работе батареи в незначительном количестве.

Технология изготовления

Вначале следует спаять фотоэлементы между собой. Если вы купили элементы с металлическими выступами, то тогда можно просто спаять ушки батарей между собой. Делать это нужно очень внимательно и аккуратно.

После пайки соединенные компоненты необходимо приклеить к подложке в верхней части панели. Это лучше сделать при помощи специального силиконового клея, который никак не препятствует проникновению солнечных лучей. Кроме того, он способствует нормальному теплообмену.

Однако, не переусердствуйте с клеем, так как это может привести к повреждению батарей. Клеить нужно только центр клеток. Далее все элементы нужно соединить с проводом, который подается в одной из заранее предусмотренных вентиляционных отверстий.

Для закрепления провода к солнечным элементам лучше использовать силиконовую замазку. Интересное: Солнечная панель своими руками.

На следующем этапе поверх панелей устанавливается оргстекло. Однако, до этого следует подключить диод Шоттки от чувствительных теплопроводящих компонентов. Этот диод послужит блокирующим устройством, которое защитит фотоэлементы при перепадах напряжения. Кроме того, диод Шоттки будет отключать питание системы при маленькой мощности электросети.

Так аккумуляторы, заряжаемые от солнца, не будут разряжаться при прекращении питания. Когда диод будет подключен, можно ставить оргстекло и закреплять его винтами. Технология изготовления солнечных панелей является достаточно простой и понятной. Единственное, важно правильно соблюдать последовательность соединения, иначе вся система не будет работать.

Как работает солнечная батарея

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Принцип работы солнечной батареи основан на наличии полупроводника в виде двух пластин, соединенных друг с другом. Каждая пластина изготавливается из кремния с использованием дополнительных примесей. Благодаря этому пластины обладают своими уникальными свойствами. Первая из них имеет избыток валентных электронов, а вторая имеет недостаток этих электронов. Эти полупроводники получили название n и p. Если эти полупроводники соединить в единое целое, то можно получить PN-переход в месте контакта между ними. В то время, когда на батарею попадают прямые солнечные лучи, на обеих сторонах этого перехода начинают накапливаться положительные и отрицательные плавающие нагрузки. В результате генерируется напряжение и возникает магнитное поле. Если подсоединить к такому элементу провод, по нему потечет электричество.

Выясняем: когда стоит устанавливать солнечные батареи и как быстро они окупаются?

Как подключить солнечную батарею

Как только вы изготовите солнечную панель, можно начинать заниматься ее подключением. Можно не подключать ее напрямую к сети, чтобы избежать потерь электроэнергии. То есть, желательно установить автономную систему с аккумуляторами. Они будут заряжаться от солнечных батарей каждый день и быстро разряжаться.

При этом, глубина разрядки может быть довольно существенной. Поэтому, аккумуляторы могут быстро выйти из строя. Для того, чтобы этого не произошло, лучше оставить подключение к сети через гибридный батарейный инвертор. Это устройство будет отдавать фотоэлементам приоритет при распределении нагрузки.

Инвертор не будет отдавать излишки электроэнергии в сеть, а будет передавать ее на аккумуляторы. Такой вариант является одним из наиболее оптимальных. Эта система состоит из гибридного инвертора, контроллера заряда солнечных панелей и аккумуляторов.

Такой механизм сможет работать не только как основная, но и как резервная система электропитания.

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

О том, что с помощью солнечных батарей можно получать энергию и использовать ее в бытовых нуждах, известно не каждому. Такой способ получения электроэнергии не является особо распространенным, но с каждым годом набирает популярность.

При наличии большого солнечного массива можно обеспечить током не только частный дом, но и промышленный объект.

Принцип работы солнечной батареи довольно прост, поэтому нет никаких преград, чтобы воспользоваться такой возможностью получения экологичной энергии для личных целей.

Что такое солнечная батарея

Солнечными батареями можно обеспечить полное функционирование дома или другого объекта без привлечения дополнительного источника электроэнергии.

Они считаются не только экологически чистыми, но и самыми эффективными при выработке энергии.

Суть данного устройства заключается в специальных модулях-фотоэлементах, которые захватывают солнечную энергию и при помощи полупроводниковых устройств преобразовывают ее в ток.

Одна батарея содержит 36 элементов и представлена в виде прямоугольника размером с шифер. Есть, конечно, и другие вариации, но такой пример является наиболее популярным. Все модули покрываются пленкой или стеклом и между собой соединены, благодаря чему через эти дорожки ток поступает в инвертор, который на выходе дает нам привычную электроэнергию, которую можно использовать в любых целях.

Устройство батареи

Сегодня нет проблем, чтобы выбрать солнечную батарею. Товары в ассортименте отличаются устройством модуля, способом его работы и технологией производства.

Панели с кремниевыми фотоэлементами

Согласно названию, для таких панелей используется кремний, а если быть точнее, они изготавливаются на основе амфорного кремния. Этот вид модулей относится к тонкопленочным солнечным батареям.

Это очень прочный и надежный материал, который может прослужить более 25 лет. Такой вид кремния образуется под раскаленным паром, благодаря чему кристаллам можно придать разную форму и размер.

Однако процесс производства достаточно сложный, что не может не сказываться на цене изделия.

Батареи с кремниевым покрытием существуют в двух вариантах:

Монокристаллические

Относятся к дорогостоящим солнечным батареям, так как изготавливаются по особому принципу выращивания кристаллов, на что уходит много времени и сил. Монокристаллические панели представляют собой решетки из множества квадратов с немного подрезанными углами.

Такие солнечные модули отличаются не только высоким качеством, но и максимальной производительностью. Они работают даже при сильно низкой температуре, занимают мало места и при этом их КПД не снижается.

Владельцы кремниевых монокристаллических солнечных батарей отмечают длительность их использования – до 30 лет.

Поликристаллические

Главное отличие поликристаллических заключается в том, что они производятся с применением дешевого сырья, чаще всего это продукты переработки монокристаллических панелей. Для них не нужно выращивать кристаллы и сама технология более упрощенная. Но несмотря на это, они неплохо проявили себя в работе и могут использоваться даже при критически высоких и низких температурах.

Практически в 80% солнечных батарей установлены модули именно с кремниевыми пластинами.

Суть тонкопленочных панелей заключается в особом производстве, где полупроводники наносятся непосредственно на пленку. В качестве полупроводников выступает сплавы меди-индия, теллурида кадмия и селенида. Они существенно отличаются от обычных солнечных батарей наличием панели-пленки, их можно скручивать и тем самым использовать на любой местности.

Некоторые клеят их на внешнюю сторону окна, тем самым защищая дом от солнечных лучей и при этом получая небольшую порцию энергии. Ключевое слово здесь – небольшую. Тонкопленочные полупрозрачные панели отличаются низким КПД, то есть обеспечить электричеством весь дом не смогут даже при масштабном использовании.

Из дополнительных преимуществ можно выделить маленький вес, простой способ монтажа и невысокую цену.

Концентраторные модули

Концентраторные солнечные батареи считаются самыми эффективными и наряду с этим самыми дорогими. У них наивысший процент фотоэлектрического преобразования, а все потому, что они состоят из многослойной структуры, которая отличается составом полупроводников.

Самой успешной по действию признана трехслойная структура. Принципы работы ее в поглощении солнечного излучения по всей длине волн и во всем диапазоне. Подобного эффекта не имеют никакие другие солнечные батареи.

Но они сложны в производстве и дороги, поэтому не особо популярны.

Покупка дорогих концентраторных модулей оправдана только для регионов с высокой солнечной радиацией, которая наблюдается на протяжении всего года.

В батареи органического типа включены элементы, которые состоят из органических полимеров, отсюда и такое название. Это гибкая батарея, которая производится в любых размерах и печатается на пластике с помощью принтера. Суть технологии напрямую сказывается на производительности панели.

Процент КПД у них достаточно низкий, зато они отличаются низкой ценой и экологической функцией. Они могут быть выполнены в любой удобной форме и размере, при этом с полным сохранением желаемой текстуры пластика.

Читайте также:  Раковины из натурального и искусственного камня: плюсы и минусы

Некоторые такой вариант используют и как декор частного дома, и как подпитку электроэнергией.

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Принцип работы солнечных панелей

Принцип работы

Теперь подробнее о работе солнечной батареи. Она состоит из двух пластин, изготовленных из кремния и покрытых с одной стороны бором, а с другой фосфором. Там, где батарея покрыта бором, частицы отсутствуют.

Под действием солнечного света в пластине с фосфором появляются свободные электроны, которые начинаются перемещаться и создавать энергию. Чем больше солнечная радиация, тем больше энергии вырабатывается.

Наибольшая эффективность зафиксирована при перпендикулярном попадании лучей.

Существенно снижают эффективность работы солнечных батарей не только пасмурные дни, но и пыль с грязью. Фотоэлементы не смогут вырабатывать заявленное количество свободных частиц, если пленка будет загрязненной.

Важным моментом является отведение заряженных частиц по назначению. Данная миссия возложена на тонкие жилы из меди, которые выступают своего рода соединяющим элементом. По этим медным путям энергия попадает в подсоединенный аккумулятор.

Он собирает достаточное количество энергии и направляет его в инвертор, где постоянный ток от солнечного света преобразовывается в переменный с нужным напряжением для обеспечения бытовых потребностей (220В).

С помощью одной пластины можно питать лампочку, но для поддержания всего дома потребуется купить не одну солнечную батарею с высокой мощностью.

Схема электропитания дома от солнца

Если вы хотите пользоваться солнечными батареями для обеспечения своего дома экологичным видом электроэнергии, то вы должны знать, как работает система и что от вас потребуется. Итак, схема электропитания включает в себя следующий набор обязательных устройств:

Суть солнечных батарей мы уже определили, а вот зачем нужно остальное оборудование? Аккумулятор позволяет собирать необходимое количество энергии и сохранять ее с целью использования в темное время суток или в пасмурные дни, когда солнечной радиации недостаточно для удовлетворения электрических потребностей. Контроллер не является обязательной частью, но с его помощью можно обезопасить батарею и аккумулятор от перепадов напряжения, а также полного разряжения. Такое решение позволяет сохранить срок службы солнечной системы.

Осталось разораться с инвертором. Без него вы не сможете использовать полученную энергию от солнца по назначению. Инвертор позволяет преобразовать постоянный солнечный ток в переменный с повышенным показателем напряжения сети.

То есть, так как батареи выпускаются мощностью 12В, 24В и 48В, то инвертор путем трансформации «перерабатывает» его в привычные 220В. Лучше всего отдавать предпочтение трехфазным синусоидным инверторам.

Они отличаются высокой надежностью и работой даже при самых низких температурах.

Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи позволяет добывать электричество практически ниоткуда, за счет физических свойств материала, из которого сделаны эти приборы. Энергия солнца позволяет значительно сэкономить и снизить зависимость электроснабжения от стационарных сетей.

Как используется солнечная энергия

Существует два основных способа преобразования солнечной энергии. После выполнения определенных действий она превращается в тепло и электричество. Именно первый вариант стал использоваться в первую очередь, при котором тепловая энергия солнца собиралась с помощью специальных коллекторов (рис. 1).

Собранное тепло передается теплоносителю и далее осуществляется его практическое применение. Подобные системы используются для дома при устройстве отопления и подачи горячей воды. Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель Во втором случае солнечная энергия напрямую превращается в электрическую. Данный процесс осуществляется с использованием физических свойств фотоэлектрических элементов. Эти качества похожи на природный фотосинтез, в результате которого солнечные лучи превращаются в другие виды материи. Действие солнечной батареи и производство электроэнергии происходит по аналогичной схеме в дневное и ночное время.

В данном случае все зависит от материала, используемого в солнечных панелях. В большинстве устройств применяется кремний, соединенный с медью, кадмием, индием.

Полученные таким образом полупроводники, под влиянием света начинают вырабатывать электрический ток. Наиболее высокий КПД у фотоэлектрических панелей из монокристаллического кремния.

Другие виды элементов – поликристаллические и аморфные, считаются менее эффективными, обладают более низким КПД и стоят значительно дешевле.

Определенное количество фотоэлементов объединяются вместе, и становятся общими работающими солнечными батареями. Кроме того, гелиосистема включает в себя инвертор для преобразования напряжения, контроллер для управления зарядкой-разрядкой, а также один или несколько аккумуляторов.

Преобразование солнечной энергии

Чтобы понять, как работают солнечные батареи, нужно знать устройство и принцип работы. Непосредственное превращение солнечной энергии в электрический ток происходит внутри фотоэлементов, соединенных последовательно между собой.

Основой каждого из них служат кристаллы кремния, широко распространенные в природе в виде различных соединений. Более всего известен обычный песок, который является оксидом кремния.

По аналогии, кристаллический кремний представляет собой крупную песчинку, выращенную искусственным путем.

Готовые кристаллы получаются в форме кубиков, после чего они разрезаются на тонкие пластины, толщиной 200 микрон. На одну сторону такой пластинки наносится слой бора, а на другую – слой фосфора. На границе кремния и бора присутствует избыточное количество электронов, а со стороны фосфора их, наоборот, не хватает. Место стыковки с такими физическими свойствами называется р-п переходом.

Контроллер заряда для солнечной батареи

Принцип действия солнечной батареи заключается в следующем. Когда солнечный свет попадает на фотоэлементы, его фотоны начинают бомбардировать поверхность. Излишки электронов выбиваются, после чего начинается их движение туда, где их не хватает, то есть, в сторону дырок. В этот момент и происходит возникновение электрического тока, представляющего собой упорядоченное движение электронов. Сбор электричества производится по металлическим дорожкам, подведенным к каждому фотоэлементу.

Отдельно взятый фотоэлемент обладает незначительной мощностью. Его напряжение находится в пределах 0,5 В.

Для получения более высокого выходного напряжения в 18 вольт, элементы в количестве 36 единиц соединяются последовательно в общую батарею. Полученного напряжения вполне достаточно аккумулятору на 12 вольт.

Данные параметры взяты по максимуму, на практике же заявленные показатели будут ниже. Все зависит от того, как устроена солнечная батарея.

Готовая батарея в сборе устанавливается на подложку, сверху накрывается стеклом, после чего все швы и стыки герметизируются.

Сами батареи также могут соединяться между собой последовательно или параллельно. В результате, получаются небольшие солнечные электростанции, широко используемые на дачах и в частных домах.

Единственным условием является чистая поверхность и наличие яркого солнечного света.

Параметры и характеристики солнечных батарей

Основным показателем работоспособности батареи является ее мощность. Максимальное напряжение создается при наличии яркого света и зависит от количества элементов, соединенных последовательно. Важным фактором считается площадь каждого из них.

Нормальное функционирование панелей во многом зависит от дополнительных компонентов системы. Среди них следует отметить контроллер зарядки аккумуляторной батареи, а также инвертор, который нужен для преобразования постоянного тока в переменный.

Каждый аккумулятор обладает допустимым током зарядки, который не должен быть превышен. В противном случае это приведет к выходу из строя всей системы. Мощность, необходимая для зарядки аккумулятора, выбирается в зависимости от его напряжения. Уровень заряда как раз и обеспечивается контроллером, в результате, поступающая солнечная энергия используется максимально полно.

Необходимость использования контроллера связана с недостатками прямого подключения аккумулятора к батарее. В этом случае ток зарядки может быть либо слишком большим, либо слишком маленьким. В первом случае АКБ быстро выйдет из строя, а во втором – аккумулятор не будет полностью заряжен.

Мощность инвертора должна совпадать с аналогичным показателем у подключаемого оборудования. В этом случае в расчет принимается суммарная мощность используемых электроприборов.

Виды солнечных панелей

Кроме мощности и других рабочих параметров, солнечные панели различаются по материалам, используемым в их конструкции.

Монокристаллический кремний

В наиболее качественных панелях применяется монокристаллический кремний. Данные элементы изготавливаются в форме квадрата с закругленными углами. Такая конфигурация обусловлена технологией изготовления, когда выращенные кристаллы изначально принимают цилиндрическую форму. Далее края цилиндров обрезаются и основание принимает нужную конфигурацию, из чего потом делаются заготовки.

Установка солнечных батарей

Готовые ячейки устанавливаются на подложку и накрываются стеклом или ламинированным покрытием. Полученные таким способом батареи имеют максимально возможный КПД, отличаются высоким качеством и надежностью в работе.

Поликристаллический кремний

Технология изготовления почти такая же за исключением формы кристалла, который в конце изготовления принимает не круглую, а квадратную форму. В его структуру входят мелкие кристаллы в большом количестве, поэтому конечный продукт и получается в квадратной конфигурации.

Сырьем служат отходы, полученные при изготовлении фотоэлементов и микросхем. В результате, готовые приборы обладают более низким КПД, однако конкретные параметры зависят от производителя, и нередко совпадают с монокристаллическими изделиями.

Аморфный кремний

Используется в производстве гибких солнечных панелей. Вместо кристаллов здесь выполняется напыление тонкого слоя кремния со всеми добавками, после чего образуется покрытие нужной толщины. После разрезания листов и приклеивания на них токопроводящих полосок, конструкция покрывается ламинатом.

Такие батареи обладают самым низким КПД, однако они могут сгибаться во всех направлениях, а скатанные в рулон – транспортируются на любые расстояния. Данные изделия незаменимы в полевых условиях, в походах и путешествиях при отсутствии возможности нормальной зарядки.

Читайте также:  Шкаф управления насосами: виды, назначение, схемы подключения

Преимущества и недостатки

Солнечные батареи, так же как другие устройства обладают своими достоинствами и недостатками. К несомненным плюсам этих систем можно отнести следующие:

  • Возможность автономной работы позволяет организовать питание объектов, электронных устройств и освещения, удаленных на значительное расстояние от стационарных электрических сетей.
  • Значительная экономия денежных средств в процессе эксплуатации. Солнечный свет, превращающийся в электроэнергию, ничего не стоит и не требует дополнительных расходов. Платить приходится лишь за инверторы и аккумуляторные батареи, требующие периодической замены. И даже в этом случае солнечные панели окупятся примерно за 10 лет при среднем гарантийном сроке службы в 25-30 лет. При соблюдении всех правил эксплуатации, батареи смогут прослужить еще дольше.
  • По сравнению с обычными электростанциями, потребляющими топливо и загрязняющими окружающую среду, схема работы солнечных панелей отличается экологической чистотой и отсутствием шума.

Тем не менее, данные устройства обладают и серьезными недостатками, которые следует заранее учитывать в предварительных расчетах:

  • Высокая стоимость не только панелей, но и дополнительных компонентов – инверторов, контроллеров, аккумуляторных батарей.
  • Окупаемость наступает слишком долго. Деньги в течение длительного времени оказываются извлеченными из оборота.
  • Солнечные системы с фотоэлектрическими элементами требуют очень много места. Довольно часто для этих целей приходится задействовать не только всю крышу, но и стены здания, серьезно нарушая проектные дизайнерские решения. Дополнительное место необходимо аккумуляторным батареям с большой емкостью, которые в отдельных случаях могут занять целое помещение.
  • Процесс вырабатывания электроэнергии происходит неравномерно, в зависимости от времени суток. Этот недостаток компенсируется аккумуляторными батареями, которые днем накапливают электроэнергию, а ночью отдают ее потребителям.

Изготовление солнечных батарей

Конструкция стандартной солнечной батареи состоит из нескольких компонентов. Основной деталью является сама панель, выполненная в виде прямоугольного прозрачного короба, внутри которого располагаются тонкие квадраты кремния темного цвета. Кремний в соединении с кислородом представляет собой оксид кремния, используемый в качестве основы для батарей, на чем основан их принцип действия.

Процесс изготовления солнечных панелей можно условно разделить на несколько этапов:

  • Первый этап заключается в подготовке сырья. В этот период очищается состав кварцевого песка путем прокаливания его вместе с коксом. В результате, из него выделяется кислород и остается только чистый кремний, внешне похожий на уголь.
  • Затем начинается выращивание кристаллов, и в этот период упорядочивается структура кремния. В специальном тигле он разогревается до температуры плавления, после чего в полученную лаву добавляется специальная затравка. Она похожа на готовый кристалл и вокруг него начинают образовываться слои кремния с упорядоченной структурой, чтобы в дальнейшем соблюдался принцип работы солнечных батарей. Через несколько часов получается готовый кристалл цилиндрической формы, обрезаемый по краям. В сечении получается квадрат с закругленными краями.
  • Заготовка разрезается на тонкие пластинки по 100-200 микрон, после чего они тестируются, сортируются и направляются на следующий участок.
  • На следующем этапе пластинки запаиваются в секции, из которых на стеклянной основе формируются блоки. Стекло выполняет защитную функцию и уберегает готовые элементы от механических повреждений. Одна секция состоит из 9-10 отдельных элементов, а все устройство солнечной батареи включает в себя 4-6 секций и более.
  • Далее выполняется ламинирование пластин, спаянных в блоки. Для этого используется этиленвинилацетатная пленка. После наносится защитное покрытие, формируется строение солнечных батарей. Вся информация поступает на компьютер, отслеживающий уровень вакуума, давления и температуры.
  • На завершающей стадии осуществляется монтаж алюминиевой рамы и соединительной коробки. Готовая конструкция тестируется, проверяется как работает солнечная батарея, проводятся измерения всех показателей и технических параметров.

Устройство солнечной батареи — полный обзор элементов. Жми!

За это время появились могучие электростанции, масштабные ГЭС, сила расщеплённого атома и мощь бурных рек пришла на помощь человечеству.

Особенно стремительно развиваются в различных регионах Земли в последние десятилетия такие альтернативные источники энергии, как ветровые станции и солнечные батареи.

Учитывая, что угасание Солнца ожидается лишь через 4-5 млрд. лет, такой источник энергии, как солнечные батареи можно считать неисчерпаемым. Поговорим о нём. Что это такое, откуда взялось и как устроено.

Изобретение

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

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

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

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

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

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

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

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

Как устроена

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

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

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

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

Намереваясь приобрести солнечную батарею или изготовить её, тщательно просчитайте:

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

Сила тока

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

Элементы для улучшения работы

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

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

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

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

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

Преимущества и недостатки

Положительными чертами данного вида выработки энергии являются:

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

Минусами системы являются:

Использование солнечной энергии в мире

Комплекс солнечных батарей в ГерманииМногие государства всерьёз задумались о масштабном производстве и использовании солнечной энергии.

  1. Лидерами по производству энергии с помощью солнечных батарей являются США, Япония и Германия.
  2. Производство солнечной энергии получает своё развитие и в России.
  3. В настоящее время в РФ уже построено следующее количество установок по производству солнечной энергии:
  • Краснодарский край – 46 ед.;
  • Дагестан – 8 ед.;
  • Ставропольский край – 2 ед.;
  • Бурятия, Хабаровский край, Костромская область – по 1 ед.

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

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

  • DmitriiG
  • Распечатать
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector