Батареи работающие от солнечной энергии

Как работают солнечные батареи: принцип, устройство, материалы

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.

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.

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

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.

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.

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.

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 %.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества солнечных батарей:

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

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

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.

Источник

Применение солнечных батарей для электроснабжения дачи

Трудно представить современную жизнь без электричества. Для городских условий бесперебойная поставка электроэнергии вещь обыденная и привычная. Многие жители города имеют дачный участок с домиком для жизни или отдыха. Очень хотелось бы, чтобы городской комфорт был и на природе. Во многих дачно-содовых товариществах уже проведены электрические линии. Но загородное электричество — вещь непостоянная и непредсказуемая. Оно может исчезнуть на несколько дней. Решение этой проблемы есть — солнечные батареи для дачи. Не все еще знакомы с этим видом электроэнергии, но многие о нем слышали.

Описание

Конечно солнечная панель — не единственный элемент в домашней электростанции. Это тандем из нескольких приборов и компонентов, которые вместе будут работать на то чтобы энергию солнца превратить в электрическую.

Зато от такой электростанции совсем нет шума, нет вредных выбросов в атмосферу, а полученное электричество абсолютно бесплатно. При современном развитии производства солнечных панелей срок службы от 25 до 30 лет.

Но, учитывая много нюансов при организации домашней солнечной электростанции, необходимо основательно подумать о целесообразности этого, несомненно, полезного предприятия.

Представление о работе солнечных батарей

Полностью описывать всю процедуру превращения солнечной энергии в электрическую, в рамках данной темы, мы не будем. Но про некоторые моменты рассказать надо.

Главный элемент, из которого делаются гелиопанели — кремний. При попадании солнечных потоков на кремниевую поверхность, они выбивают свободные электроны с одного края пластины, которые движутся в свободные места на обратной стороне панели. Так зарождается электрический ток.

Остается его собрать и направить по проводам туда, где он так необходим.

Одна такая пластина сможет зарядить небольшой фонарик. Ну и понятно, чтобы перекрыть потребности в электричестве для нужного оборудования дачного домика, таких пластин нужно больше.

Варианты солнечных батарей

На сегодняшний день промышленность предлагает три типа кремниевых панелей.

Монокристаллические батареи

Отличительная особенность — квадратные фотопластины темно- черного цвета, направленные по одной стороне. Сама фотопанель со скошенными углами.

При ясной и безоблачной погоде и если панель повёрнута рабочей стороной к солнцу, то именно тогда КПД может достигать 15–25 %.

При сумрачной погоде, в утренние и вечерние часы, когда солнца нет, мощность падает до минимума.

КПД в достаточной степени высок — от 15 % до 25 %.

Лучше всего эти панели работают, когда они обращены рабочей стороной к солнцу. При пасмурной погоде и в утренние/вечерние часы вырабатываемая мощность минимальна.

Поликристаллические батареи

Пластины квадратной формы характерного темно-синего цвета.

Если сравнивать с батареями из монокристаллов, то эти больших размеров по площади. Хорошо подходят для размещения на больших площадях.

Для них уже не так важны погодные условия. Могут работать и в пасмурную погоду с КПД — 12–15 %.

Аморфные кремниевые пластины

Аморфные гибкие кремниевые пластины самый дешевый вид солнечных пластин. На вид напоминает гибкую плёночку с синими вкраплениями фотоэлементов.

Хорошо работают при рассеянном солнечном свете. Прекрасно подходят для эксплуатации в местностях с постоянной облачностью.

При не высоком КПД в 6 % обладают неприятной особенностью — кремниевое напыление может быстро прогореть под прямым солнечным светом.

Рекомендации по выбору

Итак, вам нужна солнечная батарея для своей дачи. Что важно, или на что обратить внимание для того чтобы организовать солнечную электростанцию?

1. Солнечные панели. Основное назначение — трансформация энергии солнца в электрическую. От их количества напрямую зависит мощность вашей домашней электростанции. Понятно, чем она больше, тем шире возможности для этой батареи. Обычно для дачи пользователи закупают комплекты из 2–4 модулей, каждый из которых мощностью под 200 Вт. Есть умельцы, которые собирают батарею из отдельных элементов и комплектующих. Такая панель также будет прекрасно работать. Правда времени на это хобби уйдёт много. Так что лучше заказать и купить уже готовые модули. Так и время можно сэкономить, и есть гарантия на приобретенные элементы.
2. Инвертор. Преобразует постоянный ток от панелей в привычный переменный, напряжением 220 В.
3. Аккумуляторы — необходимы для накапливания излишков солнечной энергии. Также могут существенно помочь в случае экстренного отключения электричества, или отсутствия солнца. Накопленные излишки энергии, в этом случае, передаются в инвертор. Количество батарей может отличаться, в зависимости от количества солнечных элементов
4. Провода, разъемы различного типа и коннекторы — призваны соединить все элементы в единую сеть.

Обычно когда человек хочет использовать солнечные батареи на даче все элементы можно приобрести в комплекте в специализированых магазинах или заказать комплект по Интернету.

Есть уже готовые комплекты. Например, если суточная потребность в электричестве не превышает 5 кВт, есть комплект “Загородный дом”. Это неплохой вариант для дачных или загородных домов. Именно для дачного периода с марта по октябрь ваш домик может работать исключительно за счет энергии солнца. Конечно, комплекты такого типа могут работать и в зимний период, но как дополнение к центральной электросети.

Стандартные комплекты

Современный рынок предлагает различные солнечные батареи для дачи, исходя из вашего семейного бюджета и сложности поставленных задач.

1. Экономвариант. Если предполагается регулярно использовать гелиопанели для периодической зарядки блоков питания аккумуляторных инструментов, ноутбука и смартфона — мощности в 100–200 Вт вам будет вполне достаточно. В комплекте поставляется один 12-вольтовый аккумулятор на 100 А/ч, PWM контроллер и инвертор.
2. Стандарт. В дачный период с марта по ноябрь на даче будет:
   • светодиодное освещение,
   • зарядка ноутбуков и смартфонов,
   • работать холодильник и телевизор.

Все это сможет обеспечить панель мощностью 300–600 Вт. МРРТ контроллер на 24 вольт, 1 киловатный инвертор и два аккумулятора по 200 А/час.

Макси. В случае отсутствия полноценного электроснабжения от центральных электросетей его способна заменить максимальная комплектация.

• Панель мощностью 1.5–3.0 кВт/ч;
• Контроллер ММРТ (48 В);
• Аккумулятор 48 вольт емкостью 400 А/час;
• Синусоидальный 10 киловатный ИБП.

Зачем нужен инвертор

Разные варианты солнечных панелей выдают постоянный электрический ток с напряжением 12, 24, 48 вольт. Но домашние электрические приборы функционируют от переменного электрического тока.

Задача инвертора преобразовывать постоянный ток от батарей в переменный.

Инвертор способен работать в широком диапазоне выдаваемых напряжений от 150 до 1000 В.

Мощность инвертора влияет на его цену. Она варьируется в широком диапазоне. От пары тысяч рублей, за самые бюджетные модели, до десятков тысяч, за самые мощные.

Расчет потребляемой энергии и окупаемости

Как мы видим, вопрос, как выбрать солнечную батарею далеко не праздный.

Составим для себя небольшую таблицу всех предполагаемых потребителей электричества в вашем дачном доме.

В таблице необходимо собрать:

• все устройства потребляющие электроэнергию,
• их существующее или предполагаемое количество во всем доме,
• мощность каждого устройства,
• время работы в часах и потребляемую мощность прибора в кВт.

Вторая таблица дает возможность оценить те затраты, которые необходимо отдать за покупку оборудования.

Очень важно рассчитать полную нагрузку автономного инвертора при одновременном включении всех потребителей электроэнергии в вашем доме.

Полученные показатели в правой колонке суммируем. Результат — мощность вашего будущего инвертора для вашей сети.

Не забудем про пиковые скачки напряжения при пуске некоторого электрооборудования, например, такого как поливочный электронасос. Если у будущего инвертора пиковая нагрузка окажется ниже вашего суммарного скачка всех приборов, подключённых к домашней сети, то ваш преобразователь может просто этого не выдержать и сгореть.

Контроллер для солнечных панелей.

Итак, мы разобрали роль солнечных панелей и инвертора для домашней гелиоэлектростанции.

Но в схеме есть еще одно незнакомое устройство — контроллер.

Сначала скажем, что контроллеры есть двух видов модуляции электросигнала:

1. ШИМ — широко-импульсная модуляция (или PWM).
2. MPPT (maximum power point tracking) или ТММ.

Первые — в состоянии задавать многоуровневую зарядку аккумулятора куда входит:

• Наполнение аккумулятора;
• Поглощение излишков;
• Выравнивание тока заряда;
• Поддержание уровня заряда.

У вторых — функция отслеживания точки максимальной мощности. В принципе, функции остаются те же, но этот прибор в состоянии увеличить выработку электричества тем же комплектом солнечных панелей без установки дополнительных.

Устройства разные и цена на них также сильно отличается.

Если у вас есть пара панелей и вас интересует просто резервное питание для просмотра телевизора и света в комнате, то для этого достаточно ШИМ-контроллера. Бюджетные модели от 1000 до 1300 рублей поддержат напряжение 12/24 V с максимальным током на выходе в 10 А.

Если у вас более мощная солнечная электростанция, то уж точно без MPPT контроллера не обойтись. Выбор устройств такого типа очень велик и нижняя ценовая планка на них в районе 7000 рублей.

Популярные производители

Современный рынок предлагает большой выбор солнечных батарей для дачи.

Производителей много и зачастую сами панели мало отличаются друг от друга. Разве что товарным знаком и упаковкой. Сами фотоэлементы, как правило, китайского производства.

Yingli Solar Green Energy Holding

Можно сказать, что эта китайская компания — практически мировой лидер по производству солнечных модулей. 10% из всех панелей в мире выпускаются силами Yingli Solar. Панели от этой компании разошлись по всему миру. Они установлены во многих (порядка 90) странах. В производстве находятся не только стандартные панели, но есть и двусторонние. Также есть интегрированный варианты для крыш автомобилей, катеров и так далее.

Эта солнечная панель проверена временем, обладает качеством мирового уровня и заслуженным международным авторитетом.

Sanyo

Бытовая электроника японской корпорации Sanyo хорошо знакома жителям России.

Еще в далеком 1975 году компания запустила производство солнечных элементов на аморфном кремнии. С того времени фирма немало потрудилась над исследованиями в этой области. Теперь солнечные модули Sanyo известны своим качеством и высокой надежностью при длительной эксплуатации.

First Solar

Основатель американской компании — ученый Гарольд МакМастер, который посвятил свою жизнь исследованиям применения энергии солнца в быту.

Теперь компания — один из трех мировых лидеров по производству солнечных панелей. Основное направление деятельности First Solar — разработка и выпуск готовых солнечных электростанций.

Hanwha SolarOne

Hanwha Solar One — один из десяти лучших производителей солнечных фотоэлектрических комплектов. Головной офис компании находится в Сеуле, а промышленное производство развернуто в Южной Корее и Китае. Фирма выпускает:

• Фотоэлектрические элементы;
• Солнечные модули;
• Солнечные системы;
• Крупные солнечные электростанции.

Все комплектующие выпускаются под глубоким контролем качества продукции на базе сверхсовременных технологий.

Real Solar

Если вы решили электрифицировать дачу за счет установки домашней автономной гелиосистемы, то можно обратиться в С-Петербургскую компанию Real Solar.

Они специализируются на проектировании, монтаже и обслуживании автономных систем электроснабжения именно для загородных дач, домиков и разного типа коттеджей.

Для владельцев небольшого дачного домика могут быть установлены электростанции 3-х киловватной мощности. Они вполне справятся с непрерывным электропитанием автономного типа круглые сутки. Холодильники, телевизоры, погружные и поливочные насосы, ноутбуки, электроинструменты — будут работать от батарей Real Solar.

Helios House

Основной упор в своей работе инженеры компании ООО “Гелиос Хаус”, делают на проектирование солнечных систем, которые можно развернуть на любых объектах. Так же специалистами компании может быть организована поставка, пуско-наладка и дальнейшее обслуживание гелиоустановок, которые смогут обеспечить электроэнергией:

• До 4-х энергосберегающих лампочек;
• Средний холодильник “А” класса;
• Телевизор;
• Поливочный насос.

В ассортименте есть комплекты как для дачного периода — апрель/октябрь, так и наборы, которые могут обеспечить вполне комфортное проживание в осенне-зимний период.

Преимущества и недостатки солнечных батарей

Теперь поговорим о плюсах и минусах домашних гелиосистем.

Плюсы

1. Это неиссякаемый и вседоступный источник энергии. Солнце есть всегда и в ближайшее время не собирается исчезать. Если солнце окончательно пропадет, то уже никого в мире не будет сильно волновать вопрос, где найти электроэнергию.
2. По сравнению c ветряными генераторами электричества, панели абсолютно бесшумны.
3. Сами панели износостойкие.
4. Длительный (25–30 лет) срок службы.
5. Установив такую систему один раз у вас не будет переживаний по поводу того, что поставщик электроэнергии придёт и отрежет ваш дом от подачи электричества или цены на услуги, внезапно подрастут.
6. Вы всегда можете нарастить мощность гелиостации. Ну конечно тут главный вопрос в площади. Но в любом случае модульность таких систем позволяет в любой момент добавить и запитать в свою систему новые панели.
7. Важный фактор экономия. При существующем стационарном подключении панели дают возможность снизить расходы на электроэнергию.
8. Независимость от централизованной подачи электричества. Это особенно актуально в дачных поселках, где свет отключают внезапно и на длительное время.
9. Вы станете еще одним человеком, который реально сохраняет чистоту атмосферы — это, с точки зрения экологии, абсолютно чистое устройство.

Недостатки

Надо признать, что и у гелиосистем есть свои минусы:

1. Нельзя обеспечить бесперебойную работу. Если в летний период солнечная активность весьма высока, то в зимний период такие системы малоэффективны. Тучи и низкая облачность тоже влияют на производительность этих систем. Поэтому возникает необходимость продублировать гелиосистему традиционным источником электричества или применять гибридные гелиопанели. Не стоит забывать и о районе, в котором будут использоваться такие системы. В разных местностях совершенно разная солнечная активность. Поэтому установка солнечных элементов в большей мере должна быть скорректирована с учетом месторасположения вашей дачи.
2. Самый большой минус — большие первоначальные финансовые расходы. Да и срок окупаемости вопрос довольно спорный и до конца не однозначен.
3. Низкий уровень КПД. Тоже больной вопрос. С одного квадратного метра снимается лишь 120 Вт. Этой мощности не хватит даже для работы ноутбука. Даже самые лучшие панели обладают КПД на уровне 15–20 %.
4. Для эффективной работы требуется вспомогательная техника. Аккумуляторы, инвертор, контроллер. Кроме того, желательно всё это оборудование на дачу разместить в отдельном помещении с хорошей вентиляцией.

Конечно, главный вопрос насколько затратно обустройство такой системы электроснабжения, да еще и применимо к дачным условиям? Из опыта специалистов, да и просто владельцев подобных систем вся конструкция может окупиться в течение 5–7 лет. Этот срок сокращается практически в два раз в регионах с высокой круглогодичной солнечной активностью. Понятно, что от самих панелей мало что зависит. Основной вопрос, какое количество солнечной энергии попадает на панели. Здесь в выигрыше оказываются системы с поворотными панелями. Чем больше солнца будет попадать на панели, тем быстрее окупится батарея.

С другой стороны надо учесть, что и мировая промышленность не стоит на месте, а постоянно развивается. Это приводит к устойчивой тенденции снижения себестоимости таких конструкций.

Так что со временем такая покупка — хорошее вложение для тех дачников, кто хочет и может себе позволить сэкономить на оплате счетов за электричество.

Заключение

Итак, теперь вы немного больше знаете — какими достоинствами и недостатками обладают гелиосистемы. Перед тем как купить такой комплект для своей дачи вы сможете взвесить все “за” и “против” и примите осознанное решение в приобретении такой системы.

Видео по теме

Источник