Как устроены и работают солнечные батареи

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.

Э.д.с. (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 э.д.с. — 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. Диоды должны быть низкоомными, чтобы уменьшить на них падение напряжения. Для этих целей в последнее время используют диоды Шоттки.

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

Принцип работы солнечной батареи

Прежде, чем перейти к объяснению основных принципов получения электричества с помощью солнечных батарей, давайте кратко рассмотрим, что же такое электричество.

Все вещества во вселенной состоят из атомов, в состав которых входят протоны, нейтроны и электроны. В центре атома – ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов.

Ядро окружено отрицательно заряженными электронами, заряд которых равен заряду протонов, но противоположен ему по знаку. Количество совпадает с количеством протонов в ядре.

Равное соотношение противоположно заряженных частиц в ядре делает атом нейтральным и стабильным.

Когда на атом воздействует внешняя сила, равновесие между протонами и электронами нарушается. Эта внешняя сила вызывает потерю или присоединение электронов. Когда атом теряет электрон, он может свободно перемещаться. Именно это перемещение и называют электрическим током.

Что такое солнечное электричество?

Это образование свободных электронов при падении лучей солнца на поверхность полупроводникового материала, например, кремния.

Можно сказать, что это процесс преобразования энергии солнца в электрическую.

Как работает батарея? Полупроводники, такие как кремний, имеют свойство пропускать через себя электроток, когда на него попадают лучи солнца. Этот процесс также называют «фотоэлектрическим эффектом».

Когда фотоны (частицы, составляющие излучение солнца и имеющие определенную энергию) достигают поверхности полупроводника, его ячейки поглощают энергию фотона, которая переходит к электронам и заставляет их уходить со своих орбит, вызывая электрический ток — этот принцип лежит в основе солнечного электричества.

Множество полупроводниковых ячеек спаиваются между собой и заключаются в закаленное, хорошо пропускающее свет стекло. Это и есть солнечная батарея.

Солнечная панель – ключевой элемент электростанции, производящий электричество из света. Можно соединить любое количество батарей, чтобы получить желаемое количество электричества. Их можно установить в любом месте, благодаря чему мы имеем мобильный источник энергии.

Электрический ток, вырабатываемый солнечной панелью – это постоянный ток, однако большая часть устройств в доме потребляет переменный ток. Именно поэтому требуется устройство, которое преобразовывает постоянный в переменный — инвертор.

С помощью системы из батарей и инвертора можно получить переменный ток подходящий для дома, чтобы пользоваться электроприборами, такими как вентилятор, освещение, телевизор, холодильник и т.д.

У солнечных панелей, в отличие от угля и углеводородного топлива, существует ряд значимых преимуществ:

• экологичность
• отсутствие вредных выбросов
• бесшумная работа
• практически не требуют обслуживания
• срок службы 20-25 лет

Источник

Солнечная батарея (панель)

Солнечная батарея или солнечная панель – это самый доступный способ получать энергию от солнца.

Типы солнечных ячеек

В основном в солнечной промышленной энергетике выделяют два типа ячеек – это поликристаллические ячейки, а также монокристаллические ячейки.

Про плюсы и минусы моно- и поликристаллических панелей можете прочитать в этой статье. Одно скажу точно, солнечная батарея из монокристалла лучше по всем характеристикам, хотя и дороже по цене.

Что такое солнечная батарея

Солнечная батарея представляет из себя множество солнечных ячеек, которые соединены в определенной последовательности. Они могут быть соединены последовательно, параллельно, или даже последовательно-параллельно.

Вот так выглядит солнечная панель на 100 Вт

Вид панели с обратной стороны

Сзади на этикетке параметры этой панели:

Основные параметры солнечной батареи

Максимальная мощность (Maximum power)

Этот параметр солнечной панели показывает, какую максимальную мощность может выдать такая панель в солнечный день, при условии, что солнце будет в зените и панель будет полностью освещаться солнечными лучами.

Максимальное напряжение при нагрузке (Maximum power voltage)

Максимальное значение напряжение при условии, что панель выдает в нагрузку максимальную мощность. То есть этот параметр также учитывает, что панель должна быть под солнцем в зените в яркий солнечный день.

Максимальный ток, который может выдать солнечная панель в нагрузку (Maximum Power Current)

Этот параметр показывает, какой максимальную силу тока может выдать панель в нагрузку.

Напряжение в холостом режиме (Open Circuit Voltage)

Это напряжение на клеммах солнечной панели в яркий солнечный день, при условии, что к клеммах не подсоединяется никакая нагрузка.

Ток короткого замыкания ( Short Circuit Current)

Это сила тока, которая будет течь в цепи солнечной панели, если ее клеммы соединить между собой, при условии, что панель находится под солнцем.

Ну а далее различные массо-габаритные характеристики. Также в сопроводительном листе были указаны такие параметры, как КПД солнечного модуля = 15,2%, закаленное матовое стекло толщиной в 3,2 мм, а также рабочий диапазон температур от -40 и до +80 градусов по Цельсию. По заявлению производителя, такая панель выдерживает град размером в горох и срок ее службы составляет 15-20 лет. Ну что же, поживем увидим.

Солнечная батарея в ясный день

Итак, в нашей статье мы будем ставить опыты с солнечной панелью на 100 Вт и посмотрим, целесообразно ли ее было покупать. Так как я живу в Удмуртии, это получается 57 градусов северной широты. Лето теплое солнечное, зима умеренно-холодная.

Приятный солнечный денек 10 июня. На небе ни тучки, солнце в зените.

Направляю панель на солнышко и смотрю напряжение на клеммах в холостом режиме.

23,1 Вольта халявы)

А теперь смотрим ток короткого замыкания. Для этого ставим мультиметр в режим измерения силы тока и соединяем выводы солнечной панели.

Все прям почти как по описанию).

Берем галогенную автомобильную лампу и цепляем к панели

Горит так, что даже глаза слепит.

Давайте замеряем напряжение на клеммах панели с нагрузкой-лампочкой.

Смотрим силу тока, которую кушает наша автомобильная лампочка:

Давайте посчитаем, какую мощность кушает лампочка от панельки. Вспоминаем, что мощность – это произведение силы тока на напряжение. То есть получаем P=IU=5,45 x 16,2 = 88,3 Ватта. Как видите, панелька в легкую питает нагрузку, которая кушает 88,3 Ватта при напряжении в 16,2 Вольта. Честно говоря, более чем 14,4 Вольт подавать на лампочку не стоило бы, так как она автомобильная. Но вроде осталась жива.

Солнечная батарея в пасмурный день

Все бы хорошо, но сказка рано или поздно заканчивается. На следующий день солнышко зашло и на небе стали появляться грозовые тучки:

Замеряем напряжение на клеммах без нагрузки:

Напряжение вроде бы есть.

Замеряем силу тока короткого замыкания:

Даже меньше Ампера…. На то она и солнечная батарея).

Что внутри солнечной батареи

Распределительная коробка имеет уровень защиты IP67, что говорит о том, что она пыленепроницаемая и водонепроницаемая:

Внутри стоят два мощных диода, скорее всего диоды Шоттки

Они нужны для того, чтобы электрический ток шел только от солнечной панели к нагрузке.

Как сделать мини-электростанцию на солнечных батареях

Сейчас с Али мне идет солнечный контроллер

Будем делать миниэлектростанцию для своей лаборатории по классической схеме:

Синяя коробочка – это и есть контроллер. Черная коробочка под ним – это инвертор, который преобразует 12 Вольт постоянного тока от аккумулятора в 220 Вольт переменного тока (в напряжение в вашей домашней розетке). Остальные части схемы вам уже известны. Эта схема полностью автономная и требует минимального обслуживания.

Стоит ли брать солнечные батареи?

Давайте посчитаем вместе. Сама 100 Ваттная панель стоит 5000 руб. Хотя, на Алибабе (отец Алиэкпресса) оптом можно затариться дешевле, хотя и по доставке еще надо будет решать вопрос:

Моя панель выдает 0,1 Киловатт. Допустим у нас солнце светит в среднем в год по 8 часов в день. Получается, за день панель может производить энергию в количестве 0,1 х 8 = 0,8 Киловатт х часов. У нас в селе Киловатт в час стоит 2,5 рублей. Стоит ли игра свеч? Я думаю, что нет. По крайней мере у меня в Удмуртии. В южных странах, где солнце “поливает” по 12 часов в день – это будет лучшим решением.

Но теперь давайте рассмотрим другой случай.

Ваш маленький домик находится в глуши. Хватит ли одной такой панели, чтобы поддерживать маломальский комфорт, типа освещения, питания ноутбука, телефона и ловли интернета? Вполне. Думаю, будет даже выгоднее, чем дизель-генератор. Поэтому, в данном случае солнечные батареи будут наилучшим решением.

Как соединять солнечные батареи?

Солнечная панель – это простой источник питания, как аккумулятор или батарейка. Поэтому, для них действуют все те же законы, что и для источников питания. Солнечные панели можно соединять с друг другом последовательно, параллельно или даже последовательно-параллельно. Более подробно про виды соединений источников питания читайте в этой статье.

Последовательное соединение

Вот так выглядит параллельное соединение солнечный панелей. В этом случае суммируется выдаваемая сила тока, а напряжение остается таким же

параллельное соединение солнечных панелей

Параллельное соединение

Если же вы хотите увеличить напряжение, то следует соединять панели последовательно. В этом случае у вас напряжения, получаемые с каждой солнечной панели будут суммироваться.

последовательное соединение солнечных панелей

Последовательно-параллельное соединение

Если вы хотите увеличить и напряжение и выдаваемую силу тока, то в этом случае соединяют панели последовательно-параллельно

последовательно-параллельное соединение солнечных панелей

Заключение

Использование альтернативной энергии бывает иногда очень полезно в некоторых случаях, особенно для питания автономных устройств, типа уличного освещения, радиопередатчиков, питания различных GSM-сигнализаций в садоогороде и тд.

Ну а если кто-то сомневается в будущем солнечной энергетики, просто взгляните на эти солнечные батареи, которые вырабатывают Мегаватты энергии за день!

Источник