Для чего используются солнечные панели

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

Солнечные батареи: повсеместно и для всех

Развитию солнечной энергетики уделяет внимание всё больше стран, всячески способствуя открытию новых мощных солнечных электростанций (СЭС). Их основу представляют панели, составленные из специальных фотоэлементов. Именно последние преобразуют энергию солнца в электричество. Кроме как в СЭС, солнечные батареи могут использоваться в самых разных областях

Как применяются солнечные батареи

Фотоэлементы удобны тем, что могут быть размещены на любой поверхности или встроены в различные устройства. Главное, чтобы на них попадало достаточное количество света.

Из этой части вы узнаете, как солнечная энергия используется в домах, для зарядки электроники, на улицах городов и в медицине.

Жилые помещения

Солнечные батареи для дома пользуются популярностью уже не первый год.

Для питания частного дома или дачи нужен следующий набор оборудования:

• солнечные панели;
• контроллер заряда;
• аккумулятор;
• инвертор.

На практике всё выглядит так:

1. Солнечный свет поглощается элементами панелей, которые в итоге выдают постоянный ток. Для нужд одного дома обычно нужно около 20 панелей. Их точное количество рассчитывается в зависимости от количества потребителей и уровня солнечного излучения в конкретном регионе.
2. Аккумуляторы накапливают поступающую энергию. Это позволяет обеспечивать стабильное питание для электроприборов в ночное время или во время облачной погоды.
3. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный, от которого работает большинство домашней техники.
4. Контроллер заряда играет одну из ключевых ролей в этой схеме – защищает аккумулятор от перезаряда или полной разрядки, а также обеспечивает подачу тока к инвертору или потребителям постоянного тока.

Читайте также: Изобретения Николы Теслы, изменившие мир. Во многом именно благодаря вкладу этого человека для передачи электричества используется переменный ток.

Сами панели обычно устанавливаются на крыше дома и/или на специальные опоры. Некоторые жители многоквартирных домов также умудряются использовать солнечную энергию.

Уже сегодня доступны варианты с выбором самых разнообразных текстур. То есть дополнительно солнечные батареи начинают выполнять декоративную функцию.

Интересный факт! Стандартная домашняя солнечная система в год экономит до 1200 кг углекислого газа.

Отдельное внимание заслуживает кровельный материал с интегрированными фотоэлементами. Речь идёт о черепице Solar Roof, разработанной компанией Tesla. Это современное и долговечное решение для дома.

Окупается установка солнечных батарей через 3-4 года. При этом в дальнейшем вы получаете источник бесплатного электричества, требующий минимального обслуживания.

Зарядные устройства и портативные источники питания

Особую популярность последнее время приобрели небольшие переносные блоки с фотоэлементами. Наиболее востребованы они среди любителей вылазок на природу. Так каждый может закупить необходимое количество небольших панелей и собрать свою переносную мини-электростанцию.

А так может выглядеть самодельная солнечная зарядка:

В походе от неё можно заряжать телефоны, фотоаппараты и прочую электронику. Можно зарядить и Power bank на случай, если понадобиться источник питания ночью или в пасмурную погоду. Кстати, сегодня и сами Павербанки оборудуются солнечными модулями.

Фотоэлементы встраиваются в самые разнообразные походные принадлежности. Например, на том же Алиэкспрессе без проблем можно отыскать рюкзак с солнечной панелью.

Или даже целую палатку.

Кстати, не забывайте использовать кэшбек, заказывая что-то в Интернете. Об этом у нас есть отдельная статья.

Заканчивая тему оригинальных источников энергии, стоит упомянуть такое интересное решение, как солнечная розетка. Она крепится на стекло, освещаемое солнечными лучами. Понятно, что для бесперебойного питания бытовой техники она не подходит, но для подзарядки гаджетов это отличный вариант.

Энергосбережение на улицах городов

Солнечные батареи повсеместно используются в обустройстве городов всего мира. Они питают фонари, светофоры, вывески, терминалы и многоженство других уличных объектов.

В некоторых странах часто можно увидеть уличные деревья с солнечными панелями, которые вырабатывают энергию для подзарядки смартфонов, раздачи Wi-Fi и освещения улиц.

Отельное внимание заслуживает интеграция фотоэлементов в дорожное покрытие. Примером тому проект Solar Roadways. Идея в том, чтобы постепенно заменить весь асфальт на специальные экопанели, которые будут не только перерабатывать солнечную энергию в электричество, но и выполнять ряд других задач:

• растапливание снега;
• «умная» дорожная разметка;
• подсветка в тёмное время суток;
• отвод и фильтрация дождевой воды;
• подсветка всех объектов на дороге: автомобили, люди, животные и пр.

• 
• 
• 

Пока проект на стадии разработки.

Другой пример – это SolaRoad – уже готовая велосипедная дорожка из солнечных панелей. Находится она в городе Кроммени (Нидерланды). Дорожка состоит из модулей 2,5 x 3,5 м, а общая её протяжённость – 90 м. Выработанная энергия используется для освещения улиц и поступает в городскую электросеть.

Медицина

Жители отдалённых регионов Африки нуждаются в качественном медицинском обслуживании и лекарствах. Оптимальным решением стали мобильные клиники, которые перемещаются от поселения к поселению с помощью верблюдов. Из-за особенностей рельефа другой транспорт здесь использовать нельзя.

Главной проблемой всегда была перевозка препаратов в условиях высокой температуры – без охлаждения они быстро приходят в негодность. Решением стало использование холодильников, которые питаются от солнечных батарей. Всё необходимое устанавливается на верблюда с помощью специальной бамбуковой рамы.

Другой интересный пример – это фотоэлементы, для вживления под кожу. Сегодня для замены батарей различных имплантатов, например, кардиостимулятора необходимо проводить вмешательство в организм. Если для питания использовать аккумуляторы, заряжающиеся от солнца, то регулярно менять батареи не придётся. Подкожная пластина в несколько раз тоньше волоса и имеет площадь 0,07 см 2 .

По итогу

Солнечные панели сегодня находят применение буквально везде. Несомненно, что на данном этапе не все перечисленные проекты эффективны и финансово оправданны. Но такие примеры доказывают, что будущее солнечной энергетики не так туманно, и рано или поздно человечество слезет с «нефтяной иглы» и перестанет отравлять атмосферу.

Обязательно ознакомьтесь со второй частью, где мы рассматриваем электромобили на солнечной энергии, возможность строительства космической солнечной электростанции и множество необычных решений с использование солнечных батарей.

Источник