Солнечные батареи это химия

Все о солнечных батареях

Планета Земля и вся зародившаяся на ней жизнь прошла не малый путь эволюции. Солнце обеспечивало энергией все живое и неживое, на протяжении всего периода существования планеты. В 21 столетии мы научились неплохо взаимодействовать с солнечным светом и использовать его в качестве альтернативной энергетики. Для этого инженерами были разработаны и внедрены в эксплуатацию солнечные батареи.

Принцип работы

Конструкция множества солнечных батарей сделана по принципу, что они в физическом смысле являются фотоэлектрическими преобразователями. Электрогенерирующий эффект проявляется в месте «p–n» перехода.

Чтобы сконцентрировать в себе солнечную энергию, полупроводники выполнены в форме панелей. По этой причине эти конструкции получили одноимённое название в независимости от их формы (гибкие или статичные) — солнечные панели.

По какому принципу работают солнечные панели и системы на их основе? Панель включает в себя 2 кремневые пластины с различимыми друг от друга свойствами. Процесс вырабатывания электроэнергии происходит так:

1. Воздействие солнечных лучей на первую приводит к недостаче электронов.
2. При воздействии на вторую пластину, та получает избыток электронов.
3. К пластинам подведены полосы из меди, проводящие ток.
4. Полосы подключаются к преобразователям напряжения с встроенными АКБ.

Основа — это кремниевые пластины. Но чтобы данную конструкцию использовать в качестве источника бесперебойного питания (а не только во время солнцестояния), к ней подключаются не дешевые аккумуляторы (с их помощью подключенные к сети объекты расходуют энергию ночью).

В промышленности конструкция для поглощения энергии Солнца сделана из многочисленных ламинированных фотоэлектрических ячеек, связанных друг с другом и поставленных на гибкой или жесткой подставке.

Коэффициент полезного действия конструкции вычисляется исходя из применения разных факторов. Основными являются — чистота задействованного кремния и размещение кристаллов.

Процесс очищения кремния довольно сложен, да и расположить кристаллы в единой направленности не легко. Сложность процессов, отвечающих за повышение КПД конвертируются в высокую цену за подобное оборудование.

Солнечные панели — перспективное направление в энергетике, поэтому в исследования новых проектов в этой сфере инвестируется многомиллиардные вложения. Каждый квартал коэффициент фотоэлектрического преобразования повышается, благодаря манипуляциям с проводниками и элементами конструкции. При этом, за основу может браться не только кремний.

Типы фотоэлектрических преобразователей

В промышленности существует классификация солнечных батарей по типу устройства и применяемого фотоэлектрического слоя.

По устройству делятся на:

• панели из гибких элементов, они же гибкие;
• панели из жестких элементов.

При развертывании панелей чаще всего используются гибкие тонкоплёночные. Они укладываются на поверхность, игнорируя некоторые неровные элементы, что делает данный тип устройства — более универсальным.

По типу фотоэлектрического слоя для последующего преобразования энергии панели делятся на:

1. Кремниевые (монокристалл, поликристалл, аморфные).
2. Теллурий–кадмиевые.
3. Полимерные.
4. Органические.
5. Арсенида–галлиевые.
6. Селенид индия– меди– галлиевые.

Хотя разновидностей множество, львиную долю в потребительском обороте имеют кремниевые и теллурий–кадмиевые солнечные панели. Эти два типа выбирают из–за соотношения кпд/цена.

Характеристики кремниевых солнечных батарей

Кварцевый порошок — это сырьевой материал для кремния. Данного материала на Урале и Сибири очень много, поэтому именно кремниевые солнечные панели есть и будут в большем обиходе, чем остальные подтипы.

Монокристалл

Монокристаллические пластины (mono–Si) содержат в себе синевато–темный цвет, равномерно размещенный на всей пластине. Для таких пластин применяется максимально очищенный кремний. Чем он чище, тем солнечные батареи имеют КПД выше и самую наибольшую стоимость на рынке таких устройств.

1. Наивысший КПД — 17–25%.
2. Компактность — задействование сравнительно с поликристаллом меньшей площади для развертывания оснащения в условиях тождества мощности.
3. Износостойкость — бесперебойная работа выработки электроэнергии без замены основных комплектующих обеспечивается за четверть века.

1. Чувствительность к пыли и грязи — осевшая пыль не дает батареям работать со светом от светила и соответственно уменьшает КПД.
2. Высокая цена равна увеличенному сроку окупаемости.

Так как mono–Si нуждаются в ясной погоде и лучах Солнца, панели устанавливаются на открытых местах и поднятые на высоту. Насчет местности, то предпочтение отдается местности, в которой ясная погода обыденность, а количество солнечных дней приближено к максимальному.

Поликристалл

Поликристаллические пластины (multi–Si) наделены неравномерным синим окрасом из–за разнонаправленности кристаллов. Кремний не настолько чист, как в используемых mono–Si, поэтому КПД несколько ниже, вместе со стоимостью таких солнечных батарей.

Положительные факты поликристалла:

1. Коэффициент полезного действия 12–18%.
2. При неблагоприятной погоде КПД лучше, чем у Mono–Si.
3. Цена данного агрегата меньше, а сроки окупаемости намного ниже.
4. Ориентация на солнце не принципиальна, поэтому можно размещать их на крышах различных строений.
5. Длительность эксплуатации — эффективность поглощения энергии и аккумулирования электричества падает до 20% спустя 20 лет непрерывной эксплуатации.

1. КПД уменьшен до 12–18%.
2. Требовательность к месту. Для развертывания нормальной станции выработки электроэнергии нужно больше места, чем при задействовании батареи из монокристалла.

Аморфный кремний

Технология производства панелей существенно отличается от предыдущих двух. В приготовлении задействованы горячие пары, опускающиеся на подложку без образования кристаллов. При этом используется меньше производственного материала и это учитывается при формировании цены.

1. Коэффициент полезного действия — 8–9% во втором поколении и до 12% в третьем.
2. Высокий коэффициент полезного действия при не совсем солнечной погоде.
3. Возможность использования на гибких модулях.
4. Эффективность батарей не падает вниз при повышении температуры, что позволяет монтировать их на всякие поверхности с нестандартной формой.

Основным недостатком можно считать меньший КПД (если сравнивать с иными аналогами), в связи с чем требуется большая площадь для получения сопоставимой отдачи от оборудования.

Обзор модулей, не использующих кремний

Солнечные панели, изготавливаемые из более дорогих аналогов, достигают коэффициента в 30%, они могут быть в несколько раз дороже аналогичных систем на основе кремния. Некоторые из них всё же имеют более низкий КПД, при этом обладая возможностью работать в агрессивной среде. Для изготовления таких панелей применяется чаще всего теллурид кадмия. Применяются и другие элементы, но реже.

Перечислим основные преимущества:

1. Высокий КПД, от 25 до 35%, с возможностью достигнуть, в относительно идеальных условиях даже 40%.
2. Фотоэлементы стабильны даже при температурах до 150 °C.
3. Концентрация света от светила на маленькой панели позволяет обеспечить водяной теплообменник энергией, в результате чего образовывается пар, который вращает турбину и генерирует электричество.

Как и говорили ранее — минусом является высокая цена, но в некоторых случаях они являются лучшим решением. Например, в экваториальных странах, где поверхность модулей может нагреться до 80 °C.

Полимерные и органические батареи

Модули, созданные на основе полимерных и органических материалов, получили своё распространение в последние 10 лет, они создаются в виде плёночных конструкций, толщина которых редко превышает 1 мм. Их КПД близок к 15%, а стоимость в несколько раз ниже кристаллических аналогов.

1. Низкая стоимость производства.
2. Гибкий (рулонный) формат.

Недостатком панелей из этих материалов является снижение эффективности на длительной дистанции. Но этот вопрос ещё исследуется и производство постоянно модернизируется, чтобы исключить минусы, которые могут проявиться в существующем поколении такого вида батарей через 5–10 лет.

Как сделать правильный выбор?

Для владельцев домов, расположенных на Европейском континенте выбор довольно прост — это поликристалл либо монокристалл из кремния. При этом, при ограниченных площадях стоит сделать выбор в пользу монокристаллических панелей, а при отсутствии таких ограничений — в пользу поликристаллических батарей. При выборе производителя, технических параметров оборудования и дополнительных систем стоит обратиться к компаниям, которые занимаются как продажей, так и установкой комплектов. Учитывайте, что вне зависимости от производителя — качество систем у «топовых» производителей вряд ли будет отличаться, поэтому не дайте себя обмануть, изучая ценовую политику.

Если решили заказать установку «солнечной фермы» под ключ, учтите, что сами панели в пакете таких услуг займут всего 1/3 общей стоимости, а окупаемость вплотную приблизится к отметке «10 лет»:

1. Бюджетным, но эффективным выбором станут панели от компании Amerisolar, поликристаллическая модель носит название AS–6P30 280W, имеет размер 1640х992 мм и выдаёт, соответственно — 280 Вт мощности. КПД модуля составляет 17.4%. Из минусов — гарантия всего 2 года. Но стоимость ∼7 тыс. рублей.
2. Аналогичным по мощности будет модуль RS 280 POLY от китайской Runda, стоимость ещё ниже — около 6 тыс. рублей.
3. Если место ограничено, стоит обратить внимание на продукт компании LEAPTON SOLAR — LP72–375M PERC, КПД составляет 19.1%, и при размерах 1960х992 мм получаем на выходе 375 Вт энергии. Стоимость такой батареи будет в районе 10 тыс. рублей.
4. Ещё одним эффективным вариантом с меньшими габаритами, 1686х1016 мм будет новинка от LG — NeOn 340 W. «Не он» может похвастаться КПД в 19.8%, но не может похвастаться стоимостью, она будет более чем в половину выше предыдущего образца — примерно 16 тысяч рублей.
5. Для тех, кто хочет обратить своё внимание на премиальный сегмент, тайваньская компания BenQ выпустила на рынок монокристальный модуль SunForte PM096B00 333W, выдающий на выходе 333 Вт мощности, имеющий номинальный КПД в 20.4% при размерах 1559х1046 мм. Этот модуль получил впечатляющую стоимость в почти 35 тысяч рублей.

Почему так важна эффективность?

Большое значение эффективность приобретает при расчёте площади, которую вы можете использовать под систему солнечных батарей. При сопоставимых размерах описанных модулей от Amerisolar AS–6P30 280W (1.63 квадратных метра) и NeOn 340 W от LG (1.71 квадратных метра), разница в мощности на один квадратный метр на выходе будет составлять 15.6%. С одной стороны, это может показаться не очень эффективным, учитывая разницу в цене более чем в два раза, но в случае с ограниченным пространством или более агрессивной внешней средой, возможно, сдвинет ваш выбор в пользу этого известного производителя.

Увеличенный коэффициент полезного действия подчеркивает не только эффективность технологии изготовления, но и качественные материалы, используемые при изготовлении. Это сможет сказаться на сроках работы устройств, на устойчивость панелей к так называемой деградации. Не стоит забывать также и про гарантийные обязательства производителя. Имея представительства и гарантийные сервисы почти во всех уголках мира — LG сможет похвастаться более лояльным подходом к клиентам и выполнением своих обязательств.

Заключение

Если рассматриваете установку солнечной станции в качестве инвестиций, выбор моделей с меньшим КПД будет более оправданным. Если целью является использование системы в домашнем хозяйстве, по принципу «установил и забыл», мы порекомендуем обратить внимание на панели от более именитых производителей, это позволит получить большую отдачу от станции в долгосрочной (более 5 лет) перспективе.

Видео по теме

Источник

Как устроены и работают солнечные батареи

Солнечная энергетика становится все более популярной во всем мире. Вместе с коллегами из специализированного портала Elektrik мы разбирались, как устроена солнечная батарея, из чего она состоит и куда отправляется получаемая энергия.

В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях (в научной литературе они называются фотоэлектрическими панелями).

Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи – это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании.

В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: непосредственно, солнечной батареи (генератора постоянного тока), аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.

Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей.

Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые – 15%.

Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею.

Электродвижущая сила отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока.

Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую либо нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки. Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением Pн = IнUн, где Uн напряжение на зажимах батареи.

Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему коэффициенту полезного действия (кпд) преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности.

Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток.

Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит в выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи.

Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а электродвижущая сила — последовательно включенных солнечных элементов. Так, комбинируя типы соединения, собирают батарею с требуемыми параметрами.

Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает.

Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи.

При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов они шунтируются и ток через них не идет.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока.

Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.

При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда.

Это процесс контролируется специальным контроллером. При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда.

При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.

Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов – гелевых (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовыех батарей, которые сделанны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей – 10 — 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается!

Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность.

Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечной батарей можно использовать специальные устройства – инверторы.

Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.

Источник