Солнечная батарея: устройство и принцип работы

Совсем недавно, когда мы ещё ходили в школу, солнечная батарея для выработки электричества казалась чем-то фантастическим. Нам казалось, что их можно использовать только на космических кораблях. Но прошло 20─25 лет и солнечные батарейки не только появились в часах и калькуляторах, но и уже способны обеспечивать электроэнергией частные дома и дачи. А современные солнечные электростанции могут обеспечивать электроэнергией небольшие городки. Широкое распространение солнечные батареи получили европейских странах, США, Израиле и других регионах с высокой солнечной инсоляцией. И их использование уже даёт существенную экономию электроэнергии и горячего водоснабжения.

Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую и электрическую. Самые первые шаги в использовании энергии солнца человек сделал именно в направлении получения тепла. Можно сказать, что в этом случае и преобразования нет. Принцип работы прост. Он заключается в сборе солнечного тепла. Поэтому и устройства для этого называются солнечные коллекторы. Принцип работы таких установок заключается в сборе тепла с помощью абсорбера и передачи его теплоносителю. В качестве последнего выступает вода или воздух. Такие установки часто используются для отопления и горячего водоснабжения частных домов. Второй вариант использования – это преобразование её в электричество.

Растения на нашей планете уже миллионы лет преобразуют солнечную энергию химических связей. В результате этого процесса, называемого фотосинтезом, получается глюкоза. Принцип работы фотосинтеза человеку известен уже давно. Подробнее о том, читайте по указанной ссылке.

В этом материале речь у нас пойдёт о получении электричества с помощью солнечных батарей. Для этого используются фотоэлектрические элементы. Это полупроводники на основе кремния, которые вырабатывают постоянный электрический ток под действием света. В качестве материала для фотоэлементов используются соединения кремния с кадмием, медью, индием. Кроме того, они могут отличаться технологией изготовления.

• Монокристаллические;
• Поликристаллические;
• Аморфные.

Фотоэлектрические панели из монокристаллов кремния считаются наиболее эффективными и имеющими высокий КПД. Фотоэлементы из поликристаллического кремния стоят дешевле и имеют самую низкую стоимость получения ватта электроэнергии. Есть также фотоэлектрические элементы на базе аморфного кремния. Из них делают . Выпускаются они из аморфного кремния. Производство таких элементов проще, чем моно и поликристаллов. В результате цена ниже, но КПД оставляют желать лучшего (5─6%). Кроме того, панели из аморфного кремния имеют меньший срок службы, чем предыдущие два типа. Чтобы увеличить эффективность работы элементов, в кремний добавляют медь, селена, галлий, индий.

Фотоэлектрические элементы объединяются в солнечную батарею. Как правило, число фотоэлементов в батарее кратно 36, но есть и другие варианты. Помимо солнечной батареи в состав гелиосистем входят и другие устройства для того, чтобы накапливать и распределять электроэнергию. В частности, это:

• Аккумулятор (один или несколько);
• Инвертор (преобразует напряжение из 12 или 24 в 220 вольт);
• Контроллер для управления зарядом-разрядом аккумулятора и подачи питания в сеть.

По назначению можно выделить две большие группы устройств. Солнечные батареи малой мощности (до десяти ватт) применяются в мобильных гаджетах или power bank для зарядки. Системы больше мощности используются для электрификации частных домов и дач. Они обычно располагаются на крышах и фасадах домов, реже на участках рядом с домом. Есть устройства, которые позволяют отслеживать солнце и менять угол наклона в зависимости от его положения. Теперь посмотрим, как работает солнечная батарея и от чего зависит эффективность её работы.

Как работает солнечная батарея?

Солнечная энергия преобразуется в последовательно подключённых фотоэлементах. Рассмотрим принцип работы солнечной батареи на уровне фотоэлектрических элементов. Основой фотоэлемента является кристалл кремния. Соединения кремния очень распространены в природе. Самый известный – это оксид кремния или песок. Кристалл кремния можно упрощенно назвать большой песчинкой. Кристаллы выращиваются искусственно в лабораторных условиях. Обычно их получают кубической формы, а затем на пластины. Толщина этих пластин всего 200 микрон. Это в 3─4 раза толще волоса человека.

На полученные пластины кремния нанесён с одной стороны слой бора, а с другой ─ фосфора. В местах контакта кремниевой пластины с бором имеется избыток электронов. На другой стороне по границе кремниевой пластины с фосфором недостаёт электронов. Там образуются «дырки», как их принято называть. Такую стыковку границ с избыточным количеством электроном и их недостатком называют p-n переходом.

При попадании солнечного света на фотоэлементы батареи их поверхность бомбардируется фотонами. Они выбивают избыточные электроны на границе с фосфором, и они начинают движение к «дыркам» на границе с бором. Таким образом, возникает электрический ток, являющийся упорядоченным движением электронов. К фотоэлементу подводятся металлические дорожки, через которые и собирается ток. В этом и выражается принцип работы кремниевого фотоэлемента.

Мощность одного фотоэлектрического элемента маленькая, а напряжение составляет около 0,5 вольта. Поэтому их последовательно объединяют в батареи по 36 штук, чтобы получить на выходе 18 вольт. Это хватит для того, чтобы зарядить аккумулятор 12 вольт. Здесь ещё нужно учесть, что заявленное напряжение и мощность будут только при работе батареи с максимальной отдачей, что в реальных условиях редкость. Собранная батарея помещается подложку, закрывается стеклом и герметизируется. Используемое стекло должно пропускать ультрафиолет, поскольку солнечная батарея также преобразует и эту часть спектра. Собранные батареи могут объединяться друг с другом в последовательные и параллельные цепочки. Получается небольшая .

Сегодня солнечные батареи устанавливаются в своих домах и на дачах для экономии электроэнергии. Такие миниатюрные гелиосистемы работают круглый год. Главное, чтобы поверхность панелей была чистой и светило солнце. В ряде случаев их эффективность выше в морозный солнечный день, чем в летний. Это объясняется тем, что разогрев несколько снижает эффективность их работы.

Сразу стоит отметить, что полностью отказаться от электричества из централизованных сетей не получиться. Но, установив солнечную батарею, удастся значительно экономить на коммунальных расходах. Вариант, конечно, не годиться для квартиры. Нормально эксплуатировать такую систему получиться только в загородном доме или на даче, где достаточно места для установки солнечных панелей.

В центральных регионах России гелиосистема окупается примерно за 5 лет. В южных регионах срок окупаемости значительно сокращается. Часто вместе с солнечными батареями устанавливаются коллекторы для отопления дома. Сейчас есть фабричные солнечные коллекторы, которые могут подогревать воду круглый год.

Что касается установки солнечных батарей, то здесь следует отметить следующие моменты:

• Устанавливать панели нужно на южной стороне крыши, фасада или на участке стороной на юг;
• Угол наклона соответствует значению широты вашего региона;
• Рядом не должно быть объектов, отбрасывающих тень на солнечные батареи;
• Поверхность панелей нужно регулярно очищать от грязи и пыли;
• Желательно использовать системы с отслеживанием положения солнца.

Теперь вам ясен принцип работы солнечных батарей и их возможности. Понятно, что не следует отказываться от централизованного снабжения электроэнергией. Современные гелиосистемы пока не в состоянии полноценно обеспечивать дом энергией в пасмурную погоду. Но как часть комбинированной системы энергоснабжения дома они очень уместны.

Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Этим вы поможете развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье оставляйте в комментариях.

Достаточно часто тем, кто проживает в своем собственном доме, приходится сталкиваться с тем, что отключают электроэнергию по техническим причинам или из-за чрезвычайной ситуации. Такие проблемы доставляют не только дискомфорт, но и множество проблем, например, портятся продукты, невозможно заниматься работой, если для этого требуется использование электроприборов. Что делать в такой ситуации? Стоит установить солнечные батареи, которые позволяют решить данную задачу максимально быстро и смогут доставить только пользу и ничего более.

Солнечная батарея (или панель) – это элемент питания (называется фотопластина), меняющий свою проводимость и выделяющий энергию при воздействии солнечных лучей. Именно такое преобразование позволят обогащать жилую конструкцию необходимым электричеством. Как правило, солнечные панели имеют различные виды.

В продажу поступают такие конструкции, как:

• Монокристаллическая;
• Поликристаллическая;
• Аморфная.

У каждой конструкции есть определенная производительность, от чего напрямую зависит принцип работы и цена. Пластиной с минимальной мощностью считается батарея, сделанная на основе монокристаллов, а также у них самая низкая цена. В основном, их стараются использовать в тех условиях, где постоянная подача электричества не является слишком важной.

Владелец частного дома и непосредственно таких батарей должен тщательно следить за тем, чтобы фотоэлектрическая панель была чистой, так как если на ее покрытие будет попадать большое количество таких загрязнений, как снег, помет птиц и даже сухая листва, то это снизит эффективность работы и снизит уровень подаваемого напряжения. Солнечная батарейка для дома работает по особому принципу.

А именно:

1. Происходит улавливание энергии солнца пластиной, сделанной на основе кремния.
2. При нагревании происходит высвобождение энергии.
3. Далее активизируются электроны, это способствует их передвижению по проводнику.
4. Проводниками ток направляется в полость аккумулятора, это формирует своеобразную подзарядку.
5. Посредством проводного подключения, ток поступает к бытовым приборам.

Принцип действия установки вполне понятен, но стоит ознакомиться с особенностями проведения обслуживания батарей и требуется ли оно вовсе. Первоначально нужно отметить тот факт, что в солнечной батареи полностью отсутствует движущая часть, так как это стационарные конструкции.

Как проводится обслуживание, чтобы работала солнечная батарея

Как правило, очищение покрытия стоит проводить раз в 7 дней. Специалисты считают, что этого вполне достаточно для поддержания оптимального состояния пластин в чистом виде. Также требуется осуществлять еще ряд процедур, это позволит эксплуатировать панели без проблем, а также исключить образование дефектов и неисправностей.

Обязательно проведение:

1. Внешнего осмотра на предмет выявления расшатывания креплений и образования трещин в каркасе.
2. Чистки панели.
3. Проверки силового кабеля на отсутствие оголенных проводов, что может стать причиной возгорания.
4. Контролирования и фиксирования состояния автоматики и показателей КИПа.
5. Отслеживание уровня заряда аккумулятора.
6. Контроля за состоянием конструктивными узлами блока на предмет выявления коррозийных образований.
7. Осмотра прочности кожуха панели.

Также необходимы корректировки положения конструкции, это зависит от времени года и подтягивание каждого резьбового соединения. Помимо этого, можно проводить полив панелей из шланга самой обычной проточной водой, для чего достаточно 4 процедур в год.

Безопасный и эффективный ветрогенератор можно собрать своими руками. Все этапы работы описаны на следующей странице:

КПД солнечных батарей и другие параметры

Делают солнечные панели из такого материала, как кремний, и при покупке стоит обращать внимание на такие особенности, как наличие показателя КПД, который должен превышать 20%, высокого уровня сопротивления.

Наличие закаленного стекла, устойчивости к самым суровым погодным условиям, поликристаллического покрытия, если изделие устанавливается в регионе с жаркой температурой, необходимо.

Важно монокристаллическое покрытие для областей с неблагоприятными климатическими условиями. Современные кремниевые солнечные плиты обладают рядом преимуществ. Те, кто уже пользуются подобными установками, отзываются исключительно положительно.

Признают такие изделия:

• Автономными;
• Максимально экономичными по средствам, так как не требуется оплата электроэнергии;
• Очень удобными в эксплуатации, так как не нужна регулировка;
• Выгодными, так как ресурс пополняется автоматически;
• Экологическими;
• Безопасными;
• Практичными, так как они могут быть, как резерв или основной ;
• Очень долговечными.

Есть и некоторые недостатки, но на фоне множества положительных качеств их можно назвать не существенными. К ним относят высокую стоимость, низкую устойчивость к погодным катаклизмам, надобность в подготовке места для расположения конструкции, в обслуживании, снижение производительности в зимний период времени, необходимость в модернизации, при необходимости увеличить мощность и, соответственно, производительность.

Виды солнечных батарей

Наиболее доступными по цене изделиями для улавливания солнечной энергии признаны монокристаллические, так как они сделаны по простейшей технологии и по мощности могут существенно уступить другим видам пластин. Каждый вид имеет свои особенности, за счет которых и происходит их выбор.

Солнечные плиты бывают трех видов:

• Монокристаллические;
• Поликристаллические;
• Аморфные.

Панели, сделанные на основе поликристаллического кремния – это самые дорогие изделия, так как они могут накапливать солнечную энергию даже в условиях повышенной облачности и пасмурную погоду. Особенность их состоит в высокой производительности, а также медленном остывании кремниевого расплава. После того как полотно полностью остынет, оно подвергается повторной термообработке.

Такие пластины выпускаются темно-синего цвета.

Если для изготовления плиты используется аморфный кремний, то это изделия, не выпускаемые большими партиями. Данные конструкции находятся на стадии совершенствования, модернизации, так как в продажу поступили некоторые тестовые модели.

Из чего в основном делают солнечные батареи

Многие владельцы думают, что если самостоятельно создал такое оборудование, то для этого нужно просто соблюдать технологию сбора системы, но следует и соответствовать поставленным высоким требованиям.

Состав элементов для улавливания солнечной энергии очень прост, так как все конструкции состоят из:

• Солнечного модуля;
• Контролера;
• Аккумулятора;
• Инвертора;
• Первичного преобразователя;
• Комплекта проводов;
• Приборов способных отслеживать заряд аккумулятора;
• Устройства забора мощности у батареи.

Помимо этого, на пластинах могут присутствовать полимерные пленочные рулонные покрытия, которые нужны для защиты от воздействия внешних факторов. Солнечная батарея предназначена для улавливания лучей солнца и преобразования их в электроэнергию.

Устройство солнечной батареи и нюансы проектирования

Как только приобретены все необходимые приспособления, а также материалы и инвентарь можно начинать непосредственное строительство. Тот, кто сам придумал и изобрел самостоятельно солнечную батарею, обязательно начинал с проектирования, в котором были учтены важные моменты.

А именно:

1. Место расположения конструкции.
2. Угол наклона изделия.
3. Просчет несущей способности кровли, если монтаж будет проводиться на саму крышу, а не стены или фундамент дома.

Для каркаса используется алюминиевый уголок, толщина которого должна быть не меньше 35 мм. Объем ячеек должен полностью сходиться с количеством фотоэлементов. Например, 835х690 мм. В раме проделываются отверстия под метизы. На внутреннюю часть уголка наносится герметик в 2 слоя. Рама заполняется полотном оргстекла, поликарбоната, плексигласа или же любого другого материала.

Для того чтобы уплотнить швы между рамой и полотном материала, потребуется провести тщательное прижатие листа по всему периметру.

Изделие оставляется на открытом воздухе до полного высыхания. Стекло фиксируется в 10 точках, в заранее подготовленные отверстия, которые должны быть расположены в угловой части рамки и с каждой стороны. Перед тем как крепить фотоэлементы, нужно провести очищение поверхности от пыли. Далее припаивается провод к плитке, для чего предварительно протираются контакты спиртовым раствором, и укладываются под флюс. При работе с кристаллом, следует быть максимально осторожными, так как он обладает слишком хрупкой структурой.

Укладывается шина по всей длине контакта и медленно прогревается при помощи паяльника. Далее пластины нужно перевернуть, и осуществить те же самые действия. Затем происходит выкладывание фотоэлементов на поверхность оргстекла в рамку, а фиксируются они на монтажную ленту. В качестве фиксатора может быть применен обычный силиконовый клей, который наносится точечным способом. Вполне достаточно одной маленькой капли, так как он очень прочный.

Расположение кристаллов должно быть с зазорами между ними в 3-5 мм, чтобы при нагревании под воздействием лучей ультрафиолета не было деформирования поверхности. Обязательно нужно соединить проводник по краям фотоэлементов с полостью общих шин. Посредством специального устройства тестируется качество пайки. Для герметизации панели, наносится герметик между полотнами плит. Нужно сделать осторожное придавливание полотен, чтобы обеспечить максимальное приклеивание к стеклу. Края рамки также промазываются герметиком.

Боковая сторона каркаса снабжается соединительным разъемом, для подключения диодов Шоттки. Рама закрывается стеклом для защиты и также герметизируются стыки, чтобы избежать проникновение влаги внутрь конструкции. С лицевой стороны нужно обработать панель лаком. Панель устанавливается на крышу, стены или любое другое предназначенное для нее заранее место.

Эффективность панели солнечной батареи

Как уже было отмечено, существуют разные типы солнечных батарей и у каждых из них своя характеристика. Стоит заметить, что есть и гибридные конструкции для улавливания солнечной энергии, однако стоимость их гораздо выше, и в основном они применяются для промышленных зданий.

Естественно, качество и производительность любой солнечной батареи напрямую зависит от эффективности ее фотоэлементов, на что может повлиять такой фактор как:

• Климатические условия;
• Погода;
• Длительность дня и ночи;
• Равномерность освещения панели;
• Перепады температуры воздуха;
• Наличие грязи на пластике;
• Необратимые потери.

В основном, эффективность или, другими словами, производительность солнечных батарей напрямую зависит от равномерности освещения конструкции. К примеру, если один из фотоэлементов сооружения имеет малую интенсивность освещения в отличие от остальных, то это станет причиной неравномерного распределения лучей солнца при попадании на панель, а значит, будет происходить перегрузка и снижение общей энергоотдачи.

Для уменьшения влияния такого фактора в некоторых случаях попросту отключают тот фотоэлемент, который выходит из строя.

Чтобы обеспечить солнечной батареи максимальную производительность, следует направлять ее точно на солнце в зависимости от времени года. Некоторые владельцы таких конструкций предпочитают устанавливать специальные установки, посредством которых возможно дистанционно управлять или, другими словами, поворачивать сооружение в нужную сторону. Существуют системы с автоматическим поворотом в зависимости от расположения солнца, которые двигаются в течение дня самостоятельно без посторонней помощи по заданной программе.

Помимо этого, на эффективность изделия может повлиять наличие пыли и грязи на пластине, так как происходит затемнение некоторых фотоэлементов и таким образом начинается неравномерное распределение забора энергии солнца, что описано ранее. В продаже есть специальный состав, которым можно покрыть поверхность солнечной батареи и тем самым исключить скапливание на ней загрязнителей различного характера.

Как работает солнечная батарея (видео)

Солнечная батарея – дорогостоящее оборудование, независимо от того, будет оно собрано самостоятельно или же куплено в готовом виде, а надобность в постоянном обслуживании может доставить дискомфорт, но однажды вложившись в это изделие, можно на протяжении длительного времени довольствоваться постоянному присутствию электричества и отсутствию платы за него.

Мы часто пишем про различные виды альтернативной энергетики, в том числе про солнечную. Этой статьей начинается цикл статей про принципы работы различных устройств работающих на возобновляемой энергии. И первое что будет рассмотрено - солнечные батареи. Солнечная энергия в последнее время используется повсюду: в естественном освещении помещений, нагрева воды, сушки и иногда даже в приготовлении пищи. Однако самым важным использованием энергии солнца является, пожалуй, генерация электричества. И главный элемент такой генерации - солнечная батарея!

Строение солнечных батарей

Солнечная батарея состоит из фотоэлементов, соединенных последовательно и параллельно. Все фотоэлементы располагаются на каркасе из непроводящих материалов. Такая конфигурация позволяет собирать солнечные батареи требуемых характеристик (тока и напряжения). Кроме того, это позволяет заменять вышедшие из строя фотоэлементы простой заменой.

Принцип работы

Принцип работы фотоэлементов из которых состоит солнечная батарея основан на фотогальваническом эффекте. Этот эффект наблюдал еще Александр Эдмонд Беккерель в 1839 году. Впоследствии работы Эйнштейна в области фотоэффекта позволили описать явление количественно. Опыты Беккереля показали, что лучистую энергию солнца можно трансформировать в электричество с помощью специальных полупроводников, которые позже получили название фотоэлементы.

Вообще такой способ получения электричества должен быть наиболее эффективным, потому что является одноступенчатым. По сравнению с другой технологией преобразования солнечной энергии через термодинамический переход (Лучи -> Нагревание воды -> Пар -> Вращение турбины -> Электричество), меньше энергии теряется на переходы.

Строение фотоэлемента

Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разной проводимостью. К слоям с разных сторон подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью (электронная проводимость), роль анода - p-слой (дырочная проводимость).

Ток в n-слоя создается движение электронов, которые «выбиваются» при попадании на них света за счет фотоэффекта. Ток в p-слое создается «движением дырок». «Дырка» - атом, который потерял электрон, соответственно, перескакивание электронов с «дырки» на «дырку» создает «движение» дырок, хотя в пространстве сами «дырки» конечно не двигаются.

На стыке слоев с n- и p-проводимостью создается p-n-переход. Получается своего рода диод, которые может создавать разность потенциалов за счет попадание лучей света.

Физический механизм действия

Когда лучи света попадают на n-слой, за счет фотоэффекта образуются свободные электроны. Кроме этого, они получают дополнительную энергию и способны «перепрыгнуть» через потенциальный барьер p-n-перехода. Концентрация электронов и дырок изменяется и образуется разность потенциалов. Если замкнуть внешнюю цепь через нее начнет течь ток.

Разность потенциалов (а соответственно и ЭДС) которую может создавать фотоэлемент зависит от многих факторов: интенсивности солнечного излучения, площади фотоэлемента, КПД конструкции, температуры (при нагревании проводимость падает).

Из чего делают фотоэлементы?

Самый первый в мире фотоэлемент появился в 1883 году в лаборатории Чарьза Фриттса. Он был изготовлен из селена, покрытого золотом. Увы, но такой набор материалов показал невысокие результаты - около 1% КПД.

Революция в использовании фотоэлементов произошла тогда, когда в недрах лаборатории компании «Bell Telephone» был создан первый элемент на кремнии. Компания нуждалась в источнике электроэнергии для телефонных станцией, и, можно сказать, была первой компанией, которая использовала альтернативный источник на солнечной энергии.

Кремний до сих пор остается основных материалом для производства фотоэлементов. Вообще кремний (Silicium, Silicon) - второй по распространенности элемент на Земле, запасы его огромны. Однако в промышленном его использовании есть одна большая проблема - его очистка. Процесс этот очень трудоемкий и затратный, поэтому чистый кремний стоит дорого. Сейчас ведется поиск аналогов, которые бы не уступали кремнию по КПД. Перспективными считаются соединения меди, индия, селена, галлия и кадмия, а также органические фотоэлементы.

Солнечные батареи (Сборки)

Однако разность потенциалов, создаваемая одним фотоэлементов, мала для промышленного применения. Чтобы иметь возможность использовать солнечные элементы для электропитания устройств, их соединяют вместе. Тем самым получаются солнечные батарей (солнечные сборки, солнечные модули). Кроме того, фотоэлементы покрывают различными защитными слоями из стекла, пластмассы, различных пленок. Это делают для того, чтобы защитить хрупкий элемент.

Основной рабочей характеристикой солнечной батареи является пиковая мощность, которую выражают в Ваттах (Вт, W). Эта характеристика показывает выходную мощность батареи в оптимальных условиях: солнечном излучении 1 кВт/м 2 , температуре окружающей среды 25 o C, солнечном спектре шириной 45 o (АМ1,5). В обычных условиях достичь таких показателей удается крайне редко, освещенность ниже, а модуль нагревается выше (до 60-70 градусов).

Соединяя фотоэлементы последовательно мы повышаем разность потенциалов, соединяя параллельно - ток. Таким образом комбинируя соединения можно добиться требуемых параметров по току и напряжению, а следовательно и по мощности. Кроме того, последовательно или параллельно можно соединять не только фотоэлементы в рамках одной солнечной батареи, но и солнечные батареи в целом.

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.

Э.д.с. (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 э.д.с. - 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. Диоды должны быть низкоомными, чтобы уменьшить на них падение напряжения. Для этих целей в последнее время используют диоды Шоттки.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. - 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 . 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 - (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 - .

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.

Почти 100% всей энергии, которую мы используем в повседневной жизни – это энергия солнца, так или иначе преобразованная. Уголь – это умершие растения, которые жили благодаря фотосинтезу, нефть – растения и животные, которые вымерли миллионы лет назад и росли за счет энергии солнца. Даже когда вы сжигаете дрова – вы даете выход солнечной энергии, которую в себя впитала древесина. По сути, любая тепловая электростанция преобразовывает аккумулированную в виде угля, нефти, газа и др. ископаемых солнечную энергию в электричество.

Солнечная батарея просто делает это напрямую, без участия «посредников». Электричество – наиболее удобная форма применения солнечной энергии. Весь быт человечества сейчас построен вокруг электричества, и цивилизацию без него очень сложно представить. Несмотря на то, что первые фотоэлементы появились более полувека назад, солнечная энергетика пока не нашла должного распространения. Почему? Об этом в конце статьи, а пока разберемся, как это все работает.

Все дело в кремнии

Солнечные батареи состоят из ячеек меньшего размера – фотоэлементов, которые сделаны из кремния.

Солнечная панель состоит из нескольких фотоэлементов.

Важно. Кремний – наиболее распространенный полупроводник на Земле (около 30% всей земной коры)

Кремний располагается между двумя токопроводящими слоями.

"Сэндвич" из кремния и токопроводящих слоев

Каждый атом кремния соединен с соседними четырьмя сильными связями, которые удерживают электроны на месте, поэтому так ток течь не может.

Структура атомов кремния

Для того, чтобы получить ток используют два различных слоя кремния:

• Кремний N-типа имеет избыток электронов
• Кремний Р-типа – дополнительные места для электронов (дырки)

Кремний Р и N типа

Там, где соединяются два типа кремния, электроны могут перемещаться через Р-N переход, оставляя положительный заряд на одной стороне и отрицательный на другой.

Чтобы это было легче представить, лучше думать о свете, как о потоке частиц (фотонов), которые ударяются о нашу ячейку настолько сильно, что выбивает электрон из его связи, оставляя дырку. Отрицательно заряженный электрон и место положительно заряженной дырки теперь могут свободно перемещаться, но т.к. мы имеем электрическое поле на Р-N переходе, они движутся только в одном направлении. Электрон – в сторону N-проводника, дырка стремится на Р - сторону пластины.

После "освобождения" электрон стремится к проводнику

Все электроны собираются металлическими проводниками вверху ячейки и уходят во внешнюю сеть, питая токоприемники, аккумуляторы для солнечных батарей или электрический стул для хомяка:) . После проведенной работы электроны возвращаются к обратной стороне пластины и занимают места в тех самых «дырках».

Работа фотоэлемента

Стандартная пластина, 150х150 мм номинально вырабатывает только 0,5 вольта, но если объединить их в одну большую панель, то можно получить бо́льшую мощность и вольтаж. Для зарядки мобильника нужно объединить 12 таких пластин. Для питания дома нужно затратить гораздо больше пластин и панелей.

Благодаря тому, что в фотоэлементах единственной подвижной частью являются электроны, солнечные панели не нуждаются в обслуживании и могут служить 20-25 лет не изнашиваясь и не ломаясь.

Почему человек не перешел на солнечную энергию полностью?

Можно много рассуждать о политике, бизнесе и прочей конспирологии, но в рамках этой статьи хотелось бы рассказать о других проблемах.

1. Неравномерное распределение солнечной энергии по поверхности планеты. Одни области более солнечные, чем другие и это тоже непостоянною. Солнечной энергии гораздо меньше в пасмурные дни и совсем нет ночью. И чтобы полностью рассчитывать на солнечную энергию, необходимы эффективные способы получения электричества для всех областей.
2. КПД. В лабораторных условиях удалось достичь результата в 46%. Но коммерческие системы не достигают даже 25% эффективности.
3. Хранение. Самым слабым звеном в солнечной энергетике является отсутствие эффективного и дешевого способа сохранять полученную электроэнергию. Существующие аккумуляторные батареи тяжелы и значительно снижают эффективность и без того слабые показатели солнечной системы. В целом, хранить 10 тонн угля проще и удобнее, чем 46 мегаватт, выработанных этим же углем или солнцем.
4. Инфраструктура. Для того, чтобы питать мегаполисы – площадей крыш этих городов будет недостаточно, чтобы удовлетворить все запросы, поэтому для внедрения солнечной энергетики нужно транспортировать энергию, а для этого необходимо строить новые энергетические объекты

Видео о том, как производят солнечные батареи.

В ролике подробно описывается процесс изготовления поликристаллических солнечных батарей, принцип их работы в системе солнечных электростанций, принцип работы контроллера заряда и инвертора.