Принцип использование солнечных батарей

Применение солнечных батарей

Солнечная батарея — это группа фотоэлементов, вырабатывающая электрический ток под воздействием солнечных лучей.

Схема солнечной фотоэлектрической системы.

Внешняя простота конструкции очень привлекательна по сравнению с турбинами гидроэлектростанций и атомными реакторами, но больших электрических мощностей, чем получаемые на ГЭС и АЭС, использование солнечных батарей пока дать не может.

Солнечный свет — основа тепла и жизни на Земле, своим обилием и легкой доступностью привлекал пытливые умы всех времен. Тысячи лет назад великий Архимед с помощью вогнутых отполированных поверхностей бронзовых щитов сфокусировал лучи солнца и поджег деревянную эскадру римлян. Солнечные коллекторы — собиратели солнечного тепла — популярны и сегодня при использовании в летних душах на дачах и садовых участках.

Схема водонагревательной гелиосистемы.

Солнечная энергия для получения электричества стала применяться только в середине прошлого века. Открытие и использование внутреннего фотоэффекта в полупроводниковых фотоэлементах, развитие технологии их производства позволили создать надежные конструкции солнечных батарей.

В результате падения световых лучей на поверхность полупроводникового фотоэлемента в последнем возникает направленный поток электронов, который и называется электрическим током. Величина его измеряется в микроамперах. Электрическая мощность одного фотоэлемента очень маленькая, поэтому их соединяют в блоки. Основными недостатками, тормозящими широкое использование таких батарей, являются:

• невысокая электрическая мощность;
• высокая стоимость производства.

Малая мощность солнечных батарей обусловлена еще тем, что большая часть падающего на них светового потока рассеивается, отражается или поглощается без выработки электрического тока (потери — до 75%). Отсюда низкие мощности фотоэлементов и высокая стоимость их электроэнергии.

Схема принципа работы и устройства солнечной батареи.

Основным материалом для производства полупроводниковых фотоэлементов является кристаллический кремний. Морские и речные пляжи переполнены песком — ярким представителем кремния, но содержат всевозможные примеси. Технология очистки природного кремния — очень дорогостоящее мероприятие, что сказывается на стоимости фотоэлементов.

Солнечную энергию активно стали использовать в космосе. Солнечные батареи в космических аппаратах — основа для обеспечения питания всей бортовой космической техники. В быту применение фотоэлементов встречается чаще всего в калькуляторах на солнечных батареях. Совершенствование технологий производства кристаллического кремния привело к созданию солнечных батарей на фотоэлементах нового поколения.

Применение солнечных батарей в быту

Схема солнечных модулей.

Бытовое использование фотоэлементов, объединенных в блоки для создания достаточной электрической мощности, находит применение в качестве резервных источников энергии для самых нужных бытовых приборов.

Дачи и загородные дома в условиях нашей действительности весьма уязвимы для временных отключений электроэнергии. Даже элитные участки, застроенные роскошными зданиями, не застрахованы от этих явлений. Отсутствие, хотя бы временное, возможности использования привычной бытовой техники: холодильника, микроволновой печи, тостера, телевизора — создает бытовые неудобства и раздражает.

Солнечные батареи устраняют зависимость от временных отключений электроэнергии и создают ощущение свободы и комфорта. За дополнительный комфорт приходится платить, так как применение таких батарей возможно только в комплекте со специальными приборами:

• аккумуляторы для накопления электроэнергии, выработанной фотоэлементами батареи;
• контроллер для регулировки оптимального расходования накопленной электроэнергии;
• инвертор для питания бытовых приборов.

Подключение и обслуживание

Правильно подключить и использовать солнечную батарею — такая задача встает сразу же после приобретения этого недешевого оборудования. Вот самый минимальный перечень мероприятий по организации автономного электроснабжения:

• выбрать необходимое число модулей из фотоэлементов для сборки батарей;
• выбрать способ подключения;
• предусмотреть установку диодного шунта от возможного затенения фотоэлементов;
• установить регулятор зарядки аккумуляторов;
• установить контроллер для всей системы фотоэлементов.

Специфика работ требует привлечения специалиста, чтобы правильно подключить батарею.

Обслуживание солнечных батарей несложно, но требует внимания. Фотоэлемент, точнее, кристаллический полупроводник, долговечен и неприхотлив к изменению внешних условий. Элементы конструкции фотоэлектрических модулей и батарей в период эксплуатации изменяют свои свойства:

• загрязнение поверхностей фотоэлементов снижает их эффективность;
• защитная пленка снижает со временем светопропускание на 10-20%, что требует регулировки в электрических цепях;
• перегрев контроллера и инвертора нарушает электрические характеристики системы;
• изоляция подводящих проводов разрушается от влаги и перепада температуры.

Пользоваться неисправной батареей категорически запрещено.

Перспективы развития использования солнечной энергии

Схема электросети при использовании солнечных батарей.

Установка на крышах домов в городах солнечных преобразователей очень перспективна для экономии электроэнергии, но требует государственной поддержки. Например, бытовым потребителям фотоэлектрической энергии в Германии субсидируют коммунальные платежи.

В государствах, где солнечные дни преобладают (Испания, Израиль), разрабатываются проекты жилых и промышленных зданий с солнечными батареями на крыше. Сложность технологии производства и высокая стоимость фотоэлементов не позволяют добиться массового производства.

Электромобили сегодня реально эксплуатируются, но в небольших масштабах из-за необходимости частых подзарядок аккумуляторов. Зарядка автомобильных аккумуляторов солнечными батареями — это прорыв в автомобильной промышленности по созданию конкурентоспособных электромобилей.

По долгосрочным техническим прогнозам к середине 21 века, себестоимость электроэнергии фотоэлементов приблизится к себестоимости ее типовых поставщиков. С точки зрения экологии, автономные мощные источники электроэнергии в виде солнечных батарей получат широкое распространение.

Источник

Принцип работы солнечной батареи, что такое солнечная батарея

Солнечная батарея — это источник постоянного электрического тока от преобразованной энергии солнца при помощи фотоэлементов.

Фотоэлементы — это преобразователи энергии фотонов в ток.

Фотоны — это элементарная частица, не имеющая массы покоя.

Солнечная батарея для обеспечения бытовых потребностей в электроэнергии

История создания солнечной батареи

В 1839 году Антуаном – Сезаром была представлена батарея, которая преобразовывала энергию Солнца в ток.

В 1877 году Адамс и Дей открыли выработку электричества селеном при действии на него солнечных лучей.

В 1905 году Альберт Эйнштейн описал фотоэффект.

В 1954 году был создан элемент солнечной батареи, выполненной из кремния Гордоном Пирсоном, Кэпом Фуллером и Дэррилом Чапиным.

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.

Устройство солнечной батареи

Для того, чтобы солнечная батарея была способна преобразовывать свет солнца в ток, необходимы следующие элементы:

1. Фотоэлектрический слой, который играет роль полупроводника. Представлен двумя слоями разных по проводимости материалов. Здесь электроны способны переходить из области p(+) в область n (-). Это называется p-n переход;
2. Между двумя слоями полупроводников помещен элемент, который является по своей сути преградой для перехода электронов;
3. Источник питания. Он необходим для подключения к элементу, препятствующему переходу электронов. Он преобразовывает движение заряженных электронов, т.е. создает электрический ток. Аккумуляторная батарея. Аккумулирует и хранит энергию;
4. Контролёр заряда. Основной его функцией является подключение и отключение солнечной батареи исходя от уровня заряда. Более сложные устройства способны контролировать максимальный уровень мощности;
5. Преобразователь прямого тока в переменный (инвертор);
6. Устройство, стабилизирующее напряжение. Обеспечивает защиту системы солнечной батареи от скачков напряжения.

Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте.

Солнечный свет (лучи), попадая на фотоэлектрический слой, полупроводниковых пластин приводит к высвобождению излишних электронов из обоих слоёв (n и p). На место оставшееся после освобождения электронов в одном слое встают освобожденные электроны другого слоя. Таким образом, происходит постоянное передвижение электронов из одного слоя в другой через p-n переход.

В результате этого на внешней цепи начинает появляться напряжение. Слой p становится положительно заряженным, а слой n – отрицательно.

Аккумулятор в ходе этих действий начинает набирать заряд.

Контролёр заряда подключает солнечную батарею, если заряд аккумулятора низкий. И выключает её, в случае, когда аккумулятор заряжен. Также контролер не даёт течь обратному току в то время, когда отсутствует солнце.

Трансформатор прямого тока в переменный необходим для преобразования постоянного тока в переменный с напряжением 220 В. Он бывает двух видов:

• Сетевой тип инверторов. Обеспечивает работу только в дневное время суток и тех приборов, которые присоединены к нему самому;
• Автономный тип. Применяется в устройстве элементов солнечной батареи, с наличием аккумуляторной батареи. Они предназначены для работы систем бесперебойного питания.

Это Интересно! Солнечной энергии, выделяемой за 1 секунду, достаточно для удовлетворения потребностей всего человечества на полмиллиона лет!

Преимущества и недостатки использования солнечной батареи

К преимуществам использования солнечной батареи относят:

1. Экономическую выгоду. Электроэнергия, поставляемая от энергии солнца, бесплатная;
2. Экологическая безопасность. Работа солнечной батареи не связана с выбросом вредных веществ в атмосферу;
3. Установка системы солнечной батареи является быстро окупаемой;
4. Простота эксплуатации и установки.

К недостаткам относят:

• Дороговизна установки;
• Маленькие фотоэлементы не обеспечивают всех потребностей в электроэнергии одной семьи;
• Эффективность их работы зависит от многих факторов, таких как:
  1. Погодных условий;
  2. Температуры на улице и степени нагрева солнечной батареи;
  3. Грамотного выбора всех комплектующих для обеспечения требуемых параметров;
  4. Мощности потока света;
  5. Ориентации солнечной батареи к положению Солнца;
  6. Чистоты панелей.

Применение солнечной батареи

Постепенно происходит внедрение солнечной батареи во многие отрасли жизнедеятельности человека.

Например, солнечные батареи используются:

• В автомобилестроении;
• В промышленных объектах;
• В сельском хозяйстве;
• На военно-космических объектах;
• В бытовых нуждах;

Это Интересно! Одним из первых вариантов появления прибора с солнечной батареей был калькулятор, способный работать только при попадании на его фотоэлемент солнечных лучей.

Сейчас солнечными батареями оснащают некоторые модели походных рюкзаков. Они служат источником света, электричества в условиях отсутствия цивилизации.

Использование солнечной батареи как источника электроэнергии интересует все большее количество людей, причем не только в бытовых нуждах, но и для обеспечения электроэнергией предприятий. Для того чтобы эта система была эффективной необходимо знать ее устройство и принцип работы. Это поможет подобрать компоненты в зависимости от желаемой мощности установки.

Источник