Принцип работы и устройство солнечных батарей

Развитие рынка солнечных батарей

Разработкой солнечных батарей, предназначенных для выработки электроэнергии из солнечного света, в США занималась компания Hoffman Electronics Corp. В период с 1954 по 1960 годы ее конструкторам удалось поднять производительность гелиопанелей с 2% до 14%. Однако коммерческая успешность новых батарей была сомнительной – стоимость ватта энергии, полученной от солнечных панелей при ярком освещении солнечными лучами, составляла в те годы порядка 250 долларов. Производить электроэнергию при помощи ТЭЦ было гораздо выгоднее – цена «угольного» ватта обходилась не более чем в 2-3$.

Лесу Хоффману, владельцу компании-разработчика фотоэлектрических преобразователей (гелиопанелей), удалось получить армейский космический контракт и оснастить солнечными батареями небольшой площади американский спутник Авангард-1 (запущен в 1958 году), который, на момент написания этой статьи, по-прежнему исправно служит своим создателям на орбите Земли. Эффективность гелиопанелей в энергоснабжении космического аппарата оказалась настолько высока (изначально ставка делалась на аккумуляторные батареи, солнечные батареи считались сомнительным источником энергии), что для спутника Explorer 6 (запущен в 1959 году) Хоффману поручили создать батареи основного питания. Именно так появились знаменитые раскладные панели-крылья, которыми впоследствии оснащалось большинство космических спутников.

За исключением космической индустрии и нескольких производителей дорогих электромеханических игрушек, 50 лет назад солнечные батареи более никого не интересовали, несмотря на снижение стоимости ватта до 100$ в 1971 году, с появлением интегральных микросхем.

Энергетический кризис, произошедший в начале 70-х годов XX века, изменил представление крупнейших игроков мирового рынка энергоносителей об альтернативной энергетике и в частности – о солнечных батареях. Корпорации BP, Shell, Exxon и Mobil направили часть прибыли на разработку гелиопанелей.

Особенный интерес к энергетическим перспективам проявила Exxon. По оценке ее аналитиков динамика роста цен на энергоносители через 30-40 лет станет весьма интересной для солнечной энергетики и гелиопанели принесут ощутимую прибыль. Совет директоров Exxon привлекли к разработкам в этой области Эллиота Бермана, с конца 60-х проводившего исследования, касающиеся солнечной энергетики. Берман создал технологию печатных ячеек, удешевившую цену ватта, вырабатываемого солнечными батареями, со 100$ до 20$ всего за два года – с 1970-го по конец 1972-го.

Долгосрочные прогнозы Exxon в отношении солнечной энергетики оправдались – в начале 2008 года стоимость нефти взмыла до отметки 147$ за баррель (сорт WTI), что во многом объяснялось истощением месторождений. Последовавший экономический кризис снизил цены на баррель нефти до 33$, однако сейчас расценки на фьючерсы WTI составляют чуть более 101$ за баррель.

В начале XXI века американские корпорации, лидирующие на рынке фотоэлектрических преобразователей, массово перенесли свои производства в Китай. Наряду с удешевлением производственных процессов эта мера позволила снизить расценки в 2012 году до 2$ за ватт номинальной мощности.

Распространение в России

Солнечная энергетика получает все более широкое распространение в разных странах и на разных континентах. Россия не является исключением из этой тенденции. Причиной более широкого распространения в последние годы стало:

Развитие новых технологий, позволившее снизить стоимость оборудования;
Желание людей иметь независимый источник энергии;
Чистота производства получаемой энергии («зеленая энергетика»);
Возобновляемый источник энергии.

Потенциалом для развития солнечной энергетики обладают южные районы нашей страны – республики Кавказа, Краснодарский и Ставропольский край, южные районы Сибири и Дальнего Востока.
Районы различаются по инсоляции в течение суток и времени года, так для разных регионов поток солнечной радиации, в летний период, составляет:

По состоянию на начало 2017 года мощность работающих солнечных электростанций на территории России составляет 0,03% от мощности электростанции энергетической системы нашей страны. В цифрах – это составляет 75,2 МВт.

Как работает солнечная батарея?

Солнечный свет не только делает возможной жизнь на Земле, он может со временем также стать и поставщиком большого количества электроэнергии, без которой немыслима современная цивилизация. Использование солнечного света может быть не прямым, а в виде подвода энергии к турбинам.

В этом случае комплект зеркал фокусирует солнечную энергию на теплообменник, который испаряет воду или любую другую жидкость, вырабатывая пар для привода обычной турбины, соединенной с генератором. Однако возможно и прямое преобразование солнечного света в электроэнергию, например, при помощи кремниевых солнечных элементов.

Типичный солнечный элемент состоит из шести слоев. Основание (база) одновременно выполняет роль отрицательного полюса элемента; отражающий слой удерживает свет внутри рабочей части элемента, увеличивая его электрическую эффективность; два слоя обогащенного кремния (N-типа и Р-типа) образуют ядро солнечного элемента. Кремний N-типа имеет свободные отрицательные заряды, а кремний Р-типа — несвязанные положительные заряды. При отсутствии освещения эти заряды скапливаются в зоне контакта слоев; когда на элемент падает солнечный свет, заряды расходятся в стороны. Такое перемещение зарядов создает постоянный ток, если солнечный элемент является частью замкнутой цепи. Сверху кремний защищен прозрачной пленкой, на которой размещен металлический контакт положительного полюса.

Как работает солнечный элемент

Солнечный свет, падающий на элемент солнечной батареи, разделяет положительные и отрицательные заряды, которые аккумулируются в зоне контакта между пластинками кремния Р-типа и N-типа. Это разделение создает напряжение, под действием которого при включении элемента в замкнутую цепь в ней начинает течь электрический ток

Секционные солнечные батареи

Солнечные батареи (рисунок над текстом) вырабатывают постоянный ток, который может быть преобразован на электростанции в переменный. Избыточная электроэнергия, выработанная солнечными элементами, может быть запасена в аккумуляторных батареях для последующего использования.

Солнечные батареи в космосе

Для большинства космических спутников солнечные батареи являются основным источником энергии. Эти батареи (рисунок справа) отличаются от тех, что используются на Земле (рисунок слева). Если батареи, установленные вблизи земной поверхности, нуждаются в защите от дождя и пыли, то те, что функционируют в космосе, должны быть защищены от жесткого космического излучения.

Солнечная теплоэлектростанция

Солнечный свет может снабжать теплотой паротурбинную установку, приводящую во вращение генератор. Комплект зеркал фокусирует солнечный свет на башню-концентратор. Результирующий световой пучок настолько интенсивен, что может превращать натрий в пар. Пары натрия используются для превращения воды в пар, который затем приводит во вращение турбину.

Преимущества и недостатки

Солнечные батареи доступны всем желающим, и они характерны следующими плюсами:

энергоэффективность. Все зависит от состава солнечной батареи, но в среднем КПД находится в пределах 14 – 30%;
востребованы для установки на дачных участках. Во-первых, дачи обычно находятся вдали от города, где зачастую отсутствуют централизованные источники энергоснабжения. Во-вторых, летом начинается дачный сезон, и энергия, полученная от солнца, как нельзя кстати;
систему можно дополнить новыми панелями с целью повышения мощности;
экономия энергии, особенно если солнечные батареи используются для ГВС;
выгода – надо один раз потратиться, чтобы получить возобновляемый источник энергии, не требующий дополнительных трат на обслуживание;
экологический источник энергии. В нынешних климатических условиях это важный аспект, так как энергоносители планеты не бесконечны;
надежность. Конечно, здесь многое зависит от того, насколько грамотно был выполнен монтаж, а также от модели панелей. В сети есть немало рейтингов, где описаны плюсы и минусы изделий разных производителей.

Что до окупаемости, система, построенная на солнечных батареях, окупится за 3 – 4 года для частного дома, в котором живет семья из 5 – 7 человек (при переходе с электричества или дизеля). Если переходить с газа, срок окупаемости – 8 – 10 лет.

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 %

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

Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке

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.

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.

Сколько служат солнечные батареи?

Срок службы солнечных батарей

Производители часто указывают срок эксплуатации – 20-30 лет (в среднем -25 лет). На протяжении указанного периода устройство может работать без потери мощности, сбоев. Однако это не значит, что по окончании данного срока модули перестанут функционировать. Это заблуждение, т. к. солнечные батареи могут служить намного дольше (до 60 и более лет, как первая из запущенных в эксплуатацию конструкций). Только в данном случае будет постепенно снижаться производительность. Но скорость развития этого процесса низкая. Так, за 10 лет батареи могут потерять не более 10% мощности.

При регулярной эксплуатации, максимальной нагрузке модули быстрее теряют свойства. Чтобы остановить этот процесс, а также увеличить срок службы устройства, рекомендуется придерживаться рекомендаций:

обеспечение защиты фотоэлементов: необходимо снизить вероятность механического повреждения, солнечные батареи нужно устанавливать на участках, где риск падения деревьев нулевой, а также уровень воздействия ветровой нагрузки умеренный (что позволит исключить срыв ветром);
установка на открытой местности ветрозаградительных конструкций;
выполнение обслуживания, своевременная очистка модуля от сора.

В продаже есть также готовые комплекты – устанавливаются преимущественно для энергообеспечения частного жилья. Они состоят из батарей, силовой электроники. Длительность эксплуатации каждого из элементов, узлов разная. Так, батареи могут прослужить 2-15 лет, силовая электроника – до 20 лет.

Сфера применения солнечной энергии

Есть три применения солнечной энергии:

Сохранение энергии. Солнечные батареи позволяют отказаться от централизованного питания или снизить его потребление, а также продать лишнюю электроэнергию электроснабжающей компании.
Электроснабжение объектов, подключение к которым ЛЭП невозможно или экономически невыгодно. Это может быть дача или охотничий домик, расположенный вдали от ЛЭП. Также такие устройства используются для питания светильников на удаленных участках сада или на автобусных остановках.
Блоки питания для мобильных и портативных устройств. Во время походов, рыбалки и других подобных мероприятий нужно заряжать телефоны, фотоаппараты и другие гаджеты. Для этого также используются солнечные батареи.

Солнечные панели удобно использовать там, где нет электричества

Лучшие солнечные панели для частного дома

Солнечные модули представлены двух типов – кремниевые и пленочные. Выбирайте в зависимости от региона проживания, назначения и стоимости изделия

При покупке рекомендуем обратить ваше внимание на следующих производителей:

Hevel (Россия) – компания производит микроморфные и гетероструктурные панели с КФП до 20-22% и умеренной стоимостью;
Axitec (Германия) – моно и поликристаллических фотоэлементы из кремния. Панели мощностью от 260 до 330 Вт;
TopRaySolar (Китай) – поликристаллические батареи разной мощности (от 20 до 300 Ватт).

Обратите внимание, что выбор компании-производителя не имеет принципиального значения. Ориентироваться нужно на емкость аккумулятора, полупроводники и отзывы покупателей. В интернете можно найти большое количество информации о лучших моделях солнечных батарей, а также обучающие видео по установке

В интернете можно найти большое количество информации о лучших моделях солнечных батарей, а также обучающие видео по установке

Ориентироваться нужно на емкость аккумулятора, полупроводники и отзывы покупателей. В интернете можно найти большое количество информации о лучших моделях солнечных батарей, а также обучающие видео по установке.

Пример: Установка солнечных батарей на крыше дома:

Подъем и крепление электрических солнечных панелей:

Обустройство системы отопления

В настоящее время набирает популярность инновационные отопительные системы, работающие на основе солнечных преобразователей. Это самостоятельные устройства с уникальными конструктивными и техническими параметрами, отличающимися от солнечных батарей.

В качестве основного рабочего элемента для отопительных систем используется коллектор, который принимает солнечный свет и автоматически преобразовывает его в кинетическое электричество. Площадь такой части варьируется от 30 до 70 квадратных метров. Чтобы зафиксировать коллектор нужно применять дополнительную технику, а для соединения пластин между собой используются металлические контакты.

Следующий компонент системы солнечного отопления — накопительный бойлер. Он обеспечивает эффективную трансформацию кинетической энергии в тепловую, и вызывает нагревание жидкости, объёмом до 300 литров. В некоторых случаях для поддержания оптимальной температуры воды используются дополнительные котлы на сухом топливе.

Завершающим узлом подобной системы являются напольные и настенные элементы, где по медным трубам циркулирует подогретая вода. За счёт низкой температуры запуска батарей и равномерной теплоотдачи, прогрев помещения осуществляется достаточно быстро.

Чтобы понять, как работают системы отопления дома на солнечных панелях, необходимо более подробно рассмотреть принцип их действия.

Между температурными показателями коллектора и накопительного элемента формируется определенная разница. Теплоноситель, в роли которого используется вода с антифризом, стремительно циркулирует по системе, в результате чего образуется кинетическая энергия.

После прохождения жидкости через отдельные слои системы, полученная энергия становится теплом, которое и обогревает помещение. Из-за таких особенностей в доме всегда сохраняется оптимальный температурный диапазон независимо от времени суток и года. Кстати, рынок таких систем постоянно расширяется, поэтому в ближайшем будущем они будут доступны для каждой среднестатистической семьи.

Система солнечной электростанции

На изображении ниже показана типичная солнечная установка. Он состоит из следующих элементов:

солнечная панель (одна или несколько объединенных в одну систему) — собирает энергию и преобразует ее в электричество;
контроллер — необходим для оптимизации работы солнечных панелей и снижения потерь при транспортировке энергии через электрическую систему станции;
инвертор — преобразование постоянного тока в переменный;
аккумулятор — собирает и хранит накопленную электроэнергию.

Солнечная электростанция

Аккумулятор позволяет использовать накопленную в течение дня электроэнергию. Контроллер также защищает аккумулятор от перезарядки. Следовательно, когда достигается максимальный уровень заряда батареи, контроллер автоматически понижает напряжение до уровня, необходимого для сохранения заряда, без перезарядки батареи чрезмерным напряжением. А инвертор необходим, чтобы приборы и осветительная сеть могли использовать электроэнергию, получаемую от батарей.

Как полупроводники вырабатывают электричество?

Полупроводник — это материал, в котором атомы имеют лишние (n-тип) или недостаточное количество (p-тип) электронов. То есть полупроводник состоит из двух слоев с разной проводимостью.

В этой схеме в качестве катода используется n-слойный слой. P-слой — это анод. То есть электроны из первого слоя могут переходить на второй. Переход происходит за счет устранения электронов фотонами света. Фотон уничтожает электрон. После этого, пройдя аккумулятор, они снова падают в пласт и все идет по кругу.

Когда энергия исчерпана, все начинается по кругу и всегда горит свет.

Современные солнечные батареи используют кремний в качестве полупроводника, и все началось с селена. Селен показал крайне низкую эффективность — не более одного процента — и сразу стали искать замену. Сегодня кремний в целом отвечает требованиям промышленности, но у него также есть существенный недостаток.

Как связаны коронавирусы, солнечные батареи и загрязнение воздуха?

Обработка и рафинирование кремния для приведения его в форму, в которой он может использоваться, — довольно дорогостоящая процедура. Чтобы удешевить производство, проводятся эксперименты с его альтернативами: медью, индийом, галлием и кадмием.

Схема электропитания дома от солнца

Система солнечного электроснабжения включает:

Гелиопанели.
Контроллер.
Аккумуляторы.
Инвертор (трансформатор).

Контроллер в этой схеме защищает как солнечные батареи, так и АКБ. С одной стороны он препятствует протеканию обратных токов по ночам и в пасмурную погоду, а с другой – защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.

Примерный комплект оборудования

Аккумуляторные батареи для гелиопанелей следует подбирать одинаковые по возрасту и емкости, иначе зарядка/разрядка будут происходить неравномерно, что приведет к резкому снижению срока их службы

Для трансформации постоянного тока на 12, 24 либо 48 Вольта в переменный 220-вольтовый нужен инвертор. Автомобильные аккумуляторы применять в такой схеме не рекомендуется из-за их неспособности выдерживать частые перезарядки. Лучше всего потратиться и приобрести специальные гелиевые AGM либо заливные OPzS АКБ.

Схема подключения батареи к контроллерам и аккумуляторам

Как устроены солнечные батареи и из чего они состоят, мы выяснили. Поговорим теперь о практическом использовании. Сама по себе солнечная панель малопригодна. Он не производит особо высокого напряжения, которое, к тому же, постоянно увеличивается. Облачно — одно напряжение, солнечно — другое. Поднялось облако — мы прыгнули.

Кроме того, солнечная панель обеспечивает постоянный ток, в то время как большая часть бытовой техники работает на переменном токе. И, конечно, ночью солнечные батареи совершенно бесполезны. Чтобы получить от такого источника какую-либо пользу, необходимо накапливать энергию и преобразовывать ее до требуемых значений. То есть нужно построить солнечную электростанцию.

в качестве накопителя энергии очень удобно использовать обычные автомобильные аккумуляторы. Они идеально подходят для натяжения и легко адаптируются к емкости. Аккумулятор не только накапливает энергию, но и стабилизирует напряжение. Если он упадет на панель, потребитель получит питание от аккумулятора. Он увеличен — панель будет питать потребителей и одновременно заряжать аккумулятор.

Преобразование постоянного напряжения аккумуляторной батареи в переменное напряжение 220 В легко осуществить с помощью так называемого инвертора (преобразователя). Сегодня на полках полно таких устройств самой разной мощности и стоимости.

Но просто взять и подключить панель к АКБ нельзя. В конце концов, необходимо заряжать аккумулятор определенным током, и нельзя допускать перезарядки. Следовательно, нам понадобится еще один узел — контроллер заряда аккумулятора. Он будет самостоятельно выдерживать ток заряда и отключать аккумулятор от панели, если он полностью заряжен или если панель не может подавать необходимое напряжение.

Купить такой прибор тоже не проблема, и есть очень дешевые модели, хотя при желании можно взять прибор с целым набором дополнительных функций: вольтметр, таймер, собственный преобразователь и так далее цена, конечно, будет соответствующая. Что касается схемы подключения всех узлов, то она довольно проста.

Особых пояснений не требует. Напряжение панели поступает на контроллер, который заряжает аккумулятор и питает нагрузку низким напряжением (не все модели). Аккумулятор, в свою очередь, питает преобразователь, если энергии солнечной панели недостаточно для этих целей.