Как работает солнечная батарея: устройство и принцип действия, подробное видео

Выбираем солнечные панели для частного дома

Перед тем, как покупать солнечные панели в частный дом, узнайте:

• Суточное потребление электроэнергии в помещении;
• Место для установки панелей (направлены на юг при этом на них не должно быть тени и выставлен соответствующий угол наклона);
• Аккумуляторы размещаются в теплом помещении при этом температуре до 25 градусов по Цельсию;
• Учитывайте пиковые нагрузки электроприборов;
• Сезонное или постоянное использование системы.

Для регионов с высокой световой активностью лучше всего подойдут монокристаллические батареи. Для дачи или приусадебного участка, если планируется сезонное использование лучше всего подойдут микроморфные поликристаллические модели. Они сравнительно недорогие, хорошо воспринимают рассеянный, боковой свет и работают под углом в пасмурную погоду.

Пример расчетов

Дачный участок потребляет 3-6 кВт*ч электрической энергии, но этот показатель может быть выше при использовании большого количество электроприборов или дополнительного освещения дома. Трехэтажных коттедж потребляет от 20 до 50 кВт*ч и даже больше. На основе представленной информации произведем расчет.

№	Энергопотребители	Мощность, Вт	Количество	Время работы, ч	Потребляемая мощность в сутки, кВт*ч
1	Лампа	90	3	3	1
2	Лампа	50	3	3	0,56
3	ТВ	150	1	4	0,7
4	Насос	400	1	2	1
5	Холодильник	1200	1	2	3
6	Ноутбук	400	1	2	0,8
7	Спутники	20	1	4	0,9
	Всего:	—	—	—	7 кВт (с учетом потерь)

Энергоемкость коттеджа составляет 7 кВт (с учетом потерь). Если дом находится на Юге, где солнечного света достаточно для энергообеспечения, то понадобится порядка 20 батарей. Рабочая мощность одной панели – 400 Вт. Такого количество достаточно для энергоснабжения загородного участка, где постоянно проживает семья из 4-6 человек.

Где купить

Солнечная батарея (панель), это довольно дорогостоящее устройство, к тому же, как правило необходимо приобретать несколько панелей, поэтому лучшим местом для приобретения, являются специализированные организации, занимающиеся продажей солнечных электростанций и комплектующих к ним.

В связи с тем, как уже писалось выше, на рынке подобных устройств, большое количество китайских изделий, то можно воспользоваться покупкой через интернет. В этом случае необходимо используя тот же интернет, изучить отзывы о приобретаемом устройстве, а также отзывы о компании, которая его поставляет.

У российских и европейских компаний, есть представительства в разных городах нашей страны, можно воспользоваться их услугами, предварительно, так же, как и при приобретении через интернет, ознакомившись с отзывами о выбранном устройстве.

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.

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.

Источник солнечной энергии

Становились ли вы участником обсуждений альтернативной энергии? Практически каждый человек хоть что-то, но слышал об этом. И многим даже выпадало воочию наблюдать солнечные батареи или ветровые электростанции

Сейчас развитие данной сферы энергоснабжения очень важно для дальнейшего комфортного существования человечества

Так как основную часть традиционных ресурсов, таких как полезные ископаемые, мы практически исчерпали, приходится искать более долговечные источники. Одним из таких нетрадиционных источников энергии является солнечная энергия. Этот ресурс один из наиболее распространенных и легкодоступных, поскольку солнечный свет в том или ином количестве есть в любом уголке нашей планеты. Поэтому разработки, связанные с аккумуляцией солнечной энергией, начались достаточно давно и активно проводятся и по сей день.

Как источник энергии солнечный свет отличная альтернатива традиционным ресурсам. И при грамотном использовании вполне может вытеснить все другие энергоресурсы в будущем.

Что является источником солнечной энергии?

Чтобы найти наиболее эффективные методы преобразования энергии Солнца, ученым нужно было понять, какое превращение является источником солнечной энергии. Для получения ответа на данный вопрос было проведено огромное количество опытов и исследований. Существуют разные гипотезы, призванные объяснить это явление. Но экспериментальным путем в процессе долгих исследований было доказано, что реакция, во время которой с помощью ядер углерода водород превращается в гелий, выступает тем самым  основным источником солнечной энергии.

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

https://youtube.com/watch?v=3apKOZn-_B4

Как работает солнечная батарея

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.

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.

Нагрузки и энергопотребление

Принудить энергию солнца работать на себя непросто и дорого. Первый шаг — определить для своего хозяйства оптимальную пиковую нагрузку и рациональное среднесуточное энергопотребление. Первый параметр определяют в киловаттах, а второй — в киловатт-часах.

Пик нагрузки приходится на тот момент, когда возникает необходимость включить одновременно несколько единиц домашней техники. Для вычисления мощности, каждую из них суммируют, учитывая высокие пусковые характеристики отдельных ее частей. Владея сведениями о максимуме потребляемой мощности, можно исключить те электроприборы, одновременная работа которых не так уж необходима. От этого показателя зависит выбор мощностных характеристик элементов электростанции, а следовательно, и стоимость ее в целом. Если мощность электроприбора и время, в течение которого он функционирует на протяжении суток, перемножить, узнаем потребность его в электроэнергии на сутки.

Путем сложения суточного электропотребления каждой единицы домашней техники вычисляют общую среднесуточную потребность в электроэнергии. Только при таком подходе можно расходовать солнечное электричество рационально. Полученные итоговые значения нужны и для вычисления емкости аккумуляторов

Стоимость этой важной единицы системы также зависит от итогов вычислений

Виды солнечных батарей

В настоящее время солнечные батареи представлены несколькими вариантами в зависимости от типа их устройства, и от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой.

I. Классификация по типу их устройства:

1. 1. Гибкие;
2. 2. Жёсткие.

II. В зависимости от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой выделяют:

1. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из кремния. Они в свою очередь бывают монокристаллическими, поликристаллическими и аморфными. Монокристаллические панели достаточно дорогой вариант, но они отличаются высокой мощностью.

Поликристаллические дешевле, чем монокристаллические панели. Такие панели медленней теряют свою эффективность с увеличением сроков службы, а так же при нагревании.

Аморфные представлены в основном тонкопленочными панелями. Такое устройство солнечной батареи позволяет генерировать солнечный свет, даже в плохих погодных условиях;

2. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из теллурида кадмия;

3. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из селена;

4. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из полимерных материалов;

5. Из органических соединений;

6. Из арсенида галлия;

7. Из нескольких материалов одновременно.

Основные типы, которые получили распространение, это многопереходные кремниевые фотоэлементы.

Фотоэлементы, выполненные из кремния, отличаются высокой чувствительностью к нагреванию, компактностью, надежностью и высоким уровнем КПД (коэффициента полезного действия).

Другие материалы не получили широкого распространения в связи с большой стоимостью.

Выбор солнечной батареи

В качестве источника электроэнергии сегодня популярны три типа солнечных батарей:

• С поликристаллическим модулем – отличаются стабильными показателями генерации, не зависимо от интенсивности солнечных лучей. Также солнечные батареи на основе поликристаллического кремния отличаются сравнительно небольшим КПД – от 9 до 18%, в зависимости от производителя. Со временем КПД не снижается, но к недостаткам поликристаллических элементов следует отнести сравнительно небольшой срок службы – порядка 10 лет.
• С монокристаллическим модулем – такие панели неравномерно вырабатывают электричество в солнечную и пасмурную погоду, теряют мощность со временем эксплуатации. Но КПД автономного электроснабжения на основе монокристаллического кремния находится в пределах от 12 до 25%. А срок службы монокристаллических панелей составляет порядка 25 лет.
• С аморфными кристаллами – используются в гибких пластинах, отличаются довольно низким КПД – порядка 6%. Максимальная мощность, заявляемая производителем, значительно снижается со временем эксплуатации и может упасть на 20 – 40%. Срок службы довольно низкий – не более 5 лет.

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.

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.

Контроллеры

Перейдем к контроллерам заряда. Через них проходит выработанная энергия и подается на аккумуляторы.

Сейчас производятся два типа контроллеров – широтно-импульсной модуляции (ШИМ-контроллер) и слежения за точкой максимальной мощности (МРРТ-контроллер).

ШИМ-контроллеры более простые и доступные.

Однако при их использовании теряется до 30 % выработанной панелями энергии.

МРРТ-контроллер же способен произвести 100% выработку энергии, но и стоимость его значительно выше.

К примеру, выходная мощность панелей составляет 2 кВт. При использовании ШИМ-контроллера из-за потерь выработки конечная мощность составит 1400-1600 Вт. А вот МРРТ-контроллер способен обработать все 2 кВт мощности.

Поэтому рекомендуется при установке панелей с выходной мощностью свыше 1 кВт использовать МРРТ-контроллер.

Что касается мощностных показателей, то подбирается контроллер по мощности, которую он способен обработать.

СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ ДЛЯ ДАЧИ

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

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

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

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

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

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

  *  *  *

2014-2023 г.г. Все права защищены.

Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

Поликристаллические

Пластины этих механизмов всегда квадратные, темно-синего цвета. В состав их поверхности включены неоднородные кристаллы кремния.

КПД поликристаллических батарей не настолько высок, как у монокристаллических моделей. Он может достигать 18%. Однако этот недостаток компенсируется достоинствами, о которых будет сказано ниже.

Принцип работы солнечной батареи этого типа позволяет изготавливать их не только из чистого кремния, но также из вторичных материалов. Этим объясняются некоторые дефекты, встречающиеся в оборудовании. Отличительной особенностью механизмов данного типа является то, что они могут достаточно эффективно вырабатывать электрический ток даже при пасмурной погоде. Такое полезное качество делает их незаменимыми в местах, где рассеянный солнечный свет является обычным повседневным явлением.

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.

Характеристика полупроводников

Из 104 элементов таблицы Менделеева 79 являются металлами, 25 – неметаллами, из которых 13 химических элементов обладают полупроводниковыми свойствами и 12 – диэлектрическими. Основное отличие полупроводников состоит в том, что их электропроводность значительно возрастает при повышении температуры. При низких температурах они ведут себя подобно диэлектрикам, а при высоких — как проводники. Этим полупроводники отличаются от металлов: сопротивление металла растёт пропорционально увеличению температуры.

Другим отличием полупроводника от металла является то, что сопротивление полупроводника падает под действием света, в то время как на металл последний не влияет. Также меняется проводимость полупроводников при введении незначительного количества примеси.

Полупроводники встречаются среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Это могут быть такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения, как арсенид галлия. Многие органические соединения, например полиацетилен (СН)n, – полупроводниковые материалы. Некоторые полупроводники проявляют магнитные (Cd1-xMnxTe) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками (GeTe и SrTiO3). Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников имеют неметаллические полупроводящие фазы. Например, La2CuO4 является полупроводником, но при образовании сплава с Sr становится сверхроводником (La1-xSrx)2CuO4.

Учебники физики дают полупроводнику определение как материалу с электрическим сопротивлением от 10-4 до 107 Ом·м. Возможно и альтернативное определение. Ширина запрещённой зоны полупроводника — от 0 до 3 эВ. Металлы и полуметаллы – это материалы с нулевым энергетическим разрывом, а вещества, у которых она превышает З эВ, называют изоляторами. Есть и исключения. Например, полупроводниковый алмаз имеет запрещённую зону шириной 6 эВ, полуизолирующий GaAs – 1,5 эВ. GaN, материал для оптоэлектронных приборов в синей области, имеет запрещённую зону шириной 3,5 эВ.