Основные элементы солнечной батареи

Как устроена солнечная батарея и принцип ее работы

В этой статье мы рассмотрим устройство солнечной батареи. Современная солнечная батарея представляет собой соединение фотоэлементов, которое может преобразовывать солнечное электромагнитное излучение в электрическую энергию. Ее основными составляющими являются фотоэлементы, от количества которых зависит вырабатываемое напряжение и сила тока. Устройство солнечной батареи основано на явлении внутреннего фотоэлектрического эффекта, которое впервые было открыто ученым Эдмондом Беккерелем еще в 1839 году. В 1873 году другой ученый Уиллоуби Смит заметил такой эффект во время облучения солнечным светом пластины селена. Наибольшее распространение солнечные батареи получили, начиная с середины двадцатого века.

Виды солнечных батарей и их предназначение

В настоящее время используется несколько разновидностей солнечных батарей. Все они отличаются длительным сроком эксплуатации, который зачастую превышает 30 лет. Это достигается за счет отсутствия в конструкции механических компонентов и расходных частей.

Наибольшее распространение сегодня получили три вида фотоэлементов:

Самым распространенным видом являются поликристаллические панели, которые отличаются оптимальным соотношением цены и эффективности. В большинстве случаев их КПД достигает 12-13 %. Эти батареи отличаются кристаллической структурой и синим цветом. Монокристаллические солнечные панели являются более эффективными, так как их КПД достигает 15-16%. Однако, с учетом стоимости одного ватта мощности, их использовании обходиться дороже.

Монокристаллические и поликристаллические батареи имеют схожие функции:

• освещение жилых домов, хозяйств, тепличных комплексов;
• освещение садовой, парковой зоны, улиц;
• обеспечение электроэнергией медицинские и телекоммуникационные приборы;
• энергоснабжение систем подачи и очистки воды;
• подзарядка ноутбуков, мобильных телефонов.

Тонкопленочные обладают самым низким КПД, который не превышает 12%. В то же время, за счет низкой цены фотоэлементов, которые входят в конструкцию, один ватт мощности электроэнергии здесь обходиться дешевле, чем в остальных батареях. К тому же, тонкопленочные панели занимают в 2-3 раза большую площадь, чем моно- и поликристаллические. Поэтому, их лучше использовать для питания крупных систем мощностью более 10 кВт. Интересное: Солнечные батареи на 5 кВт.

Из какого материала изготавливаются солнечные батареи

Наиболее распространенным материалом для изготовления солнечных панелей является кристаллический кремний. Монокристаллический кремний изготавливается по методу Чохральского или тигельным способом. Более простым для изготовления считается поликристаллический кремний, который по структуре представляет собой совокупность кристаллов. Также в качестве материала для изготовления фотоэлементов может использоваться ленточный кремний. Для его производства два тонких слоя кремния накладываются друг на друга. Он более дешевый в изготовлении, но и менее эффективный.

Узнайте больше о самовозобновляемой и бесплатной энергии будущего. Солнечные батареи в действии.

Устройство солнечной батареи: основные элементы

Современное устройство солнечной батареи предусматривает обязательное наличие прочного корпуса, в котором будут размещаться фотоэлементы. Это связано с хрупкостью панелей. Корпус представляет собой коробку небольшого размера с небольшими боковыми ребрами. При этом, ребра не должны мешать солнечному свету попадать на выходы элементов. Размер коробки определяется количеством солнечных элементов. Следующим элементом конструкции является подложка, которая располагается в корпусе прямо на панели. Перед установкой подложки корпус нужно обработать специальными красками, которые имеют стойкость к микроорганизмам и влаге. Кроме того, в корпусе должны быть вентиляционные отверстия, за счет которых будет поддерживаться определенная температура и выводиться газы, которые выделяются при работе батареи в незначительном количестве.

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.

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.

Источник

Принцип работы и устройство солнечных батарей

Здесь вы узнаете:

Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте. Солнечный свет, попадая на кремниевый полупроводник, преобразуется в электрический ток. Затем он накапливается в аккумуляторах и используется для бытовых нужд.

Принцип работы солнечных батарей

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.

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.

Технические характеристики

Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:

• Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;
• Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;
• Контроллер уровня заряда аккумулятора.

Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.

Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.

(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)

Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.

Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.

Внутреннее устройство гелиобатареи

Постепенно солнечные батареи становятся все дешевле и эффективней. Сейчас они применяются для подзарядки аккумуляторов в уличных фонарях, смартфонах, электроавтомобилях, частных домах и на спутниках в космосе. Из них стали даже строить полноценные солнечные электростанции (СЭС) с большими объемами генерации.

Гелиобатарея состоит из множества фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей ФЭП), преобразующих энергию фотонов с солнца в электроэнергию

Каждая солнечная батарея устроена как блок из энного количества модулей, которые объединяют в себе последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Чтобы понять принципы функционирования такой батареи, необходимо разобраться в работе этого конечного звена в устройстве гелиопанели, созданного на базе полупроводников.

Виды кристаллов фотоэлементов

Вариантов ФЭП из разных химических элементов существует огромное количество. Однако большая их часть – это разработки на начальных стадиях. В промышленных масштабах сейчас выпускаются пока что только панели из фотоэлементов на основе кремния.

Кремниевые полупроводники используются при изготовлении солнечных батарей из-за своей дешевизны, особо высоким КПД они похвастаться не могут

Обычный фотоэлемент в гелиопанели – это тонкая пластина из двух слоев кремния, каждый из которых имеет свои физические свойства. Это классический полупроводниковый p-n-переход с электронно-дырочными парами.

При попадании на ФЭП фотонов между этими слоями полупроводника из-за неоднородности кристалла образуется вентильная фото-ЭДС, в результате чего возникает разность потенциалов и ток электронов.

Кремниевые пластины фотоэлементов различаются по технологии изготовления на:

Первые имеют более высокий КПД, но и себестоимость их производства выше, нежели у вторых. Внешне один вариант от другого на солнечной панели можно различить по форме.

У монокристаллических ФЭП однородная структура, они выполняются в виде квадратов со срезанными углами. В отличие от них поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму.

Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого.

Но производительность в плане выработки электроэнергии из солнечных лучей у них редко превышает 15%. Связано это с “нечистотой” получаемых кремниевых пластин и внутренней их структурой. Здесь чем чище p-слой кремния, тем более высокий выходит КПД у ФЭП из него.

Чистота монокристаллов в этом отношении гораздо выше, нежели у поликристаллических аналогов. Их делают не из расплавленного, а из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования у таких ФЭП уже достигает 20-22%.

В общий модуль отдельные фотоэлементы собираются на алюминиевой раме, а для защиты их сверху закрывают прочным стеклом, которое нисколько не препятствует солнечным лучам

Обращенный к солнцу верхний слой пластинки-фотоэлемента делается из того же кремния, но уже с добавлением фосфора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

Принцип работы солнечной панели

При падении солнечных лучей на фотоэлемент в нем генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и «дырки» частично переносятся через p-n-переход из одного слоя полупроводника в другой.

В итоге во внешней цепи появляется напряжение. При этом на контакте p-слоя формируется положительный полюс источника тока, а на n-слоя – отрицательный.

Разность потенциалов (напряжение) между контактами фотоэлемента появляется из-за изменения числа «дырок» и электронов с разных сторон p-n-перехода в результате облучения n-слоя солнечными лучами

Подключенные к внешней нагрузке в виде аккумулятора фотоэлементы образуют с ним замкнутый круг. В результате солнечная панель работает, как своеобразное колесо, по которому вместе белки “бегают” электроны. А аккумуляторная батарея при этом постепенно набирает заряд.

Стандартные кремниевые фотоэлектрические преобразователи являются однопереходными элементами. Переток в них электронов происходит только через один p-n-переход с ограниченной по энергетике фотонов зоной этого перехода.

То есть каждый такой фотоэлемент способен генерировать электроэнергию только от узкого спектра солнечного излучения. Вся остальная энергия пропадает впустую. Поэтому-то и эффективность у ФЭП так низка.

Чтобы повысить КПД солнечных батарей, кремниевые полупроводниковые элементы для них в последнее время стали делать многопереходными (каскадными). В новых ФЭП переходов уже несколько. Причем каждый из них в этом каскаде рассчитан на свой спектр солнечных лучей.

Суммарная эффективность преобразования фотонов в электроток у таких фотоэлементов в итоге возрастает. Но и цена их значительно выше. Здесь либо простота изготовления с невысокой себестоимостью и низким КПД, либо более высокая отдача вкупе с высокой стоимостью.

Солнечная батарея может работать как летом, так и зимой (ей нужен свет, а не тепло) – чем меньше облачность и ярче светит солнце, тем больше гелиопанель сгенерирует электрического тока

При работе фотоэлемент и вся батарея постепенно греется. Вся та энергия, что не пошла на генерацию электротока, трансформируется в тепло. Часто температура на поверхности гелиопанели поднимается до 50–55 °С. Но чем она выше, тем менее эффективно работает фотогальванический элемент.

В итоге одна и та же модель солнечной батареи в жару генерирует тока меньше, нежели в мороз. Максимум КПД фотоэлементы показывают в ясный зимний день. Тут сказываются два фактора – много солнца и естественное охлаждение.

При этом если на панель будет падать снег, то электроэнергию она генерировать все равно продолжит. Более того, снежинки даже не успеют на ней особо полежать, растаяв от тепла нагретых фотоэлементов.

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:

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.

Сфера применения солнечной энергии

Есть три направления использования солнечной энергии:

• Экономия электроэнергии. Солнечные панели позволяют отказаться от централизованного электроснабжения или уменьшить его потребление, а также продавать излишки электричества электроснабжающей компании.
• Обеспечение электроэнергией объектов, подведение к которым линии электропередач невозможно или невыгодно экономически. Это может быть дача или охотничий домик, находящийся далеко от ЛЭП. Такие устройства используются также для питания светильников в отдаленных участках сада или автобусных остановках.
• Питание мобильных и переносных устройств. При походах, поездках на рыбалку и других подобных мероприятиях есть необходимость зарядки телефонов, фотоаппаратов и прочих гаджетов. Для этого также используются солнечные элементы.

Солнечные батареи удобно применять там, куда нельзя подвести электричество

Преимущества солнечных батарей

Солнечная энергия — это перспективное направление, которое постоянно развивается. Они имеют несколько основных достоинств. Удобство использования, долгий срок службы, безопасность и доступность.

Положительные стороны применение данной разновидности аккумуляторных батарей:

• Возобновляемость – этот источник энергии практически не имеет ограничений притом бесплатный. По крайней мере на ближайшие 6.5 миллиардов лет. Нужно подобрать оборудование, установить его и использовать по назначению (в частном доме или коттеджном участке).
• Обильность – Поверхность земли в среднем получает около 120 тысяч терравват энергии что в 20 раз превышает нынешнее энергопотребление. Солнечные батареи для коттеджей или частных домов имеют огромный потенциал для использования.
• Постоянство – солнечная энергия постоянна поэтому человечеству не грозит перерасход в процессе ее использования.
• Доступность – солнечная энергия может вырабатывать на любой территории, при наличии естественного света. При этом чаще всего она применяется для отопления жилища.
• Экологическая чистота – солнечная энергетика является перспективной отраслью, которая в будущем заменит электростанции, работающие на невозобновляемых ресурсах: газ, торф, уголь и нефть. Безопасны для здоровья людей и домашних животных.

Важно: Отдельно хочется подчеркнуть термоядерную энергию. Несмотря на то, что «мирный атом» позиционируется, как безопасный, при авариях на АЭС этот фактор полностью перечеркивается (Три-Лонг-Айленд, Чернобыль, Фукусима).

• При производстве панелей и монтаже солнечных электростанций в атмосферу не происходят значительные выбросы вредных или токсичных веществ.
• Бесшумность – выработка электроэнергии производится практически бесшумно, и поэтому этот вид электростанций лучше ветровых электростанций. Их работа сопровождается постоянным гулом из-за чего оборудование быстро выходит из строя, а сотрудники должны делать частые перерывы на отдых.
• Экономичность – при использовании солнечных батарей владельцы недвижимости ощущают значительное снижение коммунальных расходов на электроэнергию. Панели имеют долгий срок службы – производитель дает гарантию на панели от 20 до 25 лет. При этом обслуживание всей электростанции сводится к периодической (раз в 5-6 месяцев) очистке поверхностей панелей от грязи и пыли

Недостатки солнечных батарей

К сожалению, и этот практически неисчерпаемый источник энергии имеет определенные ограничения и недостатки:

• Высокая стоимость оборудования – автономная солнечная электростанция даже небольшой мощности доступна далеко не каждому. Оборудование частного дома такими аккумуляторами стоит недешево, но помогает снизить расходы на оплату коммунальных услуг (электроэнергии).
• Обустройство собственного жилища солнечными батареями потребует финансовых затрат.
• Периодичность генерации — солнечная электростанция не способна обеспечить полноценную бесперебойную электрификацию частного дома.

Важно: Проблему можно решить, установив аккумуляторы высокой емкости, однако из-за этого возрастет стоимость получения энергии, что сделает ее невыгодной по сравнению с традиционными энергоносителями.

• Хранения энергии – в солнечной электростанции аккумуляторная батарея является самым дорогим элементом (даже батареи небольшого объема и панели на гелевой основе).
• Низкий уровень загрязнения окружающей среды – солнечная энергия считается экологически чистой, однако производственный процесс батарей сопровождается выбросами трифторида азота, оксидов серы. Все это создает «парниковый эффект».
• Использование в производстве редкоземельных элементов – тонкопленочные солнечные панели имеют в своем составе теллурид кадмия (CdTe).
• Плотность мощности – это количество энергии, которое можно получить с 1 кв. метра энергоносителя. В среднем этот показатель составляет 150-170 Вт/м2. Это гораздо больше по сравнению с другими альтернативными источниками энергии. Однако несравнимо, ниже чем у традиционных (это касается атомной энергетики).

Отопление солнечной энергией домов

Принцип работы солнечной батареи для отопления дома кардинально отличает их от всех описанных выше приспособлений. Это совершенно другое устройство. Описание следует ниже.

Главной деталью отопительной системы, работающей на энергии солнца, является коллектор, принимающий его свет и преобразовывающий его в кинетическую энергию. Площадь этого элемента может варьироваться от 30 до 70 квадратных метров.

Для крепления коллектора используется специальная техника. Между собой пластины соединены металлическими контактами.

Следующим компонентом системы является накопительный бойлер. В нем происходит трансформация кинетической энергии в тепловую. Он участвует в нагревании воды, литраж которой может достигать 300 литров. Иногда такие системы поддерживаются дополнительными котлами на сухом топливе.

Завершают систему солнечного отопления настенные и напольные элементы, в которых по тонким медным трубам, распределенным по всей их площади, циркулирует нагретая жидкость. Благодаря низкой температуре запуска панелей и равномерности теплоотдачи, помещение прогревается достаточно быстро.

Как работает солнечное отопление

Давайте подробно рассмотрим принцип работы солнечных батарей от ультрафиолетового света.

Между температурой коллектора и накопительного элемента появляется разница. Носитель тепла, что чаще всего является водой, в которую добавлен антифриз, начинает циркулировать о системе. Совершаемая жидкостью работа является именно кинетической энергией.

По мере прохождения жидкости через слои системы кинетическая энергия преобразовывается в тепло, которое и используется для отопления дома. Этот процесс циркуляции носителя обеспечивает помещение теплом и позволяет сохранять его в любое время суток и года.

Итак, мы выяснили принцип работы солнечных батарей.

Источник