Солнечные батареи: принципы работы и схема подключения. Принцип работы солнечной панели

Солнечные батареи принцип действия

Приборы, служащие для преобразования электроэнергии из солнечных лучей, в народе называют солнечными батареями. По сути, такие электрогенераторы работают пока светит солнце, а значит такой источник энергии является практически неиссякаемым.

История открытия солнечных батарей

Александр Эдмон Беккерель

В XIX веке (1839 год) в возрасте 12 лет, французский естествовед Александр Эдмон Беккерель увидел фотогальванический эффект, трудясь в лаборатории своего отца Антуана Беккереля. Суть эффекта состоял в том, что при освещении платиновых пластин, находящихся в растворе электролита, гальванометр зарегистрировал появление ЭДС (электродвижущая сила). Взяв за основу этот эффект, Беккерель спроектировал актинограф — прибор для регистрации интенсивности света.

Уиллоуби Смит

Дальнейшим шагом на пути к солнечным батареям стало открытие фотопроводимости селена. Его осуществил Уиллоби Смит, английский инженер-электрик, занимавшийся разработкой изоляции подводных кабелей. В 1873 году он обнаружил, что электрическое сопротивление серого селена сильно «прыгает» от замера к замеру. Оказывается электропроводность стержней из селена стремительно возрастает при попадании на света. А в 1883 году американец Чарльз Фритс произвел первый фотоэлемент из тонкого слоя селена, находящийся между пластинами золота и меди.

Генрих Герц

Немецкий физик Генрих Герц в 1887 году выявил влияние солнечного излучения на электрический разряд. Смотря одновременно 2 разряда, Герц отметил, что яркая вспышка света от электрической искры 1-го разряда повышает длительность другого разряда.

Александр Григорьевич Столетов

В 1888 году наш земляк Александр Григорьевич Столетов изучил, как разряжается под воздействием освещения отрицательно заряженный цинковый электрод и как данный процесс зависит от интенсивности света.

Благодаря работам английского физика Джозефа Томсона в 1899 году и немецкого физика Филиппа Ленарда в 1900 году было подтверждено, что свет, попадая на металлическую поверхность, выбивает из неё электроны, вызывая возникновения фототока. Но целиком понять естество данного явления получилось в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн предоставил его разъяснение с позиции квантовой теории.

Джозеф Томсон (слева) и Филипп Ленард (справа)

Обширное применение солнечных модулей началось с 1946 года, после того как работы по увеличению производительности приборов были запатентованы. А в 1957 году солнечные батареи уже были запущены в космическое пространство в составе искусственного спутника земли. Данный полет продемонстрировал, что работа солнечных батарей способна не только обеспечивать энергией спутники, а считается единственным возможным источником питания для бесперебойной работы таких автономных устройств в космосе.

Принцип работы и устройство солнечной батареи

Устройство и принцип действия солнечной батареи

На сегодняшний день солнечные преобразователи производятся в большинстве случаев из кремния. Отличают 2 вида передовых технологий, на базе которых функционируют батареи: поликристаллическая и монокристаллическая.

Поликристаллическая по стоимости ниже, благодаря чему не особо эффективная технология.

Монокристаллическая по стоимости выше, цена которой зависит от трудозатратной технологии изготовления, а точнее выращивания монокристаллов. Она предоставляет больше количества электроэнергии и срок службы ее существенно больше. Благодаря этому, монокристаллический солнечный модуль является наиболее лучшим для использования его в повседневной жизни.

Работа солнечного элемента сопряжена с его устройством. Состоит он из кремниевых наружных пластин, с различными свойствами проводимости, и внутреннего слоя чистого монокристаллического кремния. Внутренний слой имеет установленную дырочную проводимость. Один из наружных проводников тоньше противоположного слоя и покрыт особым слоем, образующим цельный металлический контакт.

При попадании на один из наружных слоев солнечного света создается фотогальванический эффект, что приводит к формированию в этом слое свободных электронов. Данные частицы получают вспомогательную энергию и способны преодолеть внутренний слой элемента, который в данном случае именуется барьером. Чем больше объем солнечного света, тем сильнее происходит процесс прохождения или перепрыгивания электронов от одной наружной пластины к другой, минуя внутреннюю перегородку. При замыкании наружных пластин возникает напряжение. Та пластина, которая усиленно отдает частицы, создает в себе так называемые дырки, обретает знак минус, а которая принимает, обретает знак плюс.

Типы солнечных батарей

На сегодняшний день на рынке присутствуют 5 видов солнечных батарей в которых используются разные материалы и фотоэлементы.

Максимальную известность приобрели солнечные батареи из поликристаллических фотоэлементов. Результативность подобных панелей обычно составляет 12-14 %.

Поликристаллическая солнечная батарея

Панели из монокристаллических фотоэлементов характеризуются наиболее большим коэффициентом полезного действия (14-16 %). Подобные панели немножко дороже, нежели панели из поликристаллического кремния. Так же фотоэлементы выполнены в виде многоугольника и из-за этого не целиком наполняют пространство солнечной батареи, что приводит к наиболее низкой производительности всей батареи по отношению к одной ячейки фотоэлемента.

Монокристаллическая солнечная батарея

Солнечные батареи из аморфного кремния располагают минимальной результативности (6-8 %), однако в то же время обладают низкой себестоимостью производимой энергии.

Солнечная батарея из аморфного кремния

Солнечные батареи на основе Теллурид Кадмия (CdTe) внешне изображают тонкопленочную технологию изготовления солнечных панелей. Полупроводниковые слои покрывают панель толщиной всего в несколько сотен микрон. Разработка считается наименее опасным для окружающей среды. Результативность солнечных батарей CdTe составляет примерно 11-12 %.

Солнечная батарея на основе Теллурид Кадмия (CdTe)

Солнечные батареи в составе которых присутствуют смеси Индия, Галлия, Меди, Селена (CIGS) так же считаются тонкопленочной технологией изготовления фотоэлементов. Эффективность колеблется примерно от 10 до 15 %. Такая технология не особо распространена на рынке, но весьма быстро развевается.

Солнечные батареи на основе смеси Индия, Галлия, Меди, Селена (CIGS)

Области применения солнечных панелей

• Портативная электроника. Для снабжения электричеством и(или) подзарядки аккумуляторных батареи разной бытовой электроники.
• Электромобили. Подзарядка автотранспорта.
• Авиация. Разработка самолета, использующего только энергию солнца.
• Энергообеспечение зданий. Электроснабжение дома, за счет размещения крупных солнечных батарей на крышах.
• Энергообеспечение населённых пунктов. Создание солнечных электростанций.
• Дорожное покрытие. Дороги, покрытые солнечными панелями, для освещения их же в ночное время.
• Использование в космосе. Электроснабжение космических аппаратов.
• Использование в медицине. Внедрение под кожу миниатюрную солнечную батарею для обеспечения работы приборов, имплантированных в тело.

Преимущества и недостатки солнечных источников энергии

Преимущества:

• Экологически чистая энергия;
• Неисчерпаемость и постоянство солнечной энергии;
• Минимум обслуживания;
• Длительный срок службы;
• Доступность;
• Экономичность;
• Большая область применения.

Недостатки:

• Высокая цена панелей;
• Нерегулярность из-за погодных условий;
• Высокая цена аккумуляторных батарей для аккумулирования энергии;
• Для большей мощности необходимо устанавливать большие площади солнечных панелей.

Таким образом, анализируя все вышеупомянутое, можно отметить, что в данный момент получить выгоду от солнечной энергии могут лишь достаточно богатые собственники загородных домов. Они могут без проблем дождаться того этапа, когда батареи окупят себя.

101svetilnik.ru

Солнечные батареи для дома - предназначение и принцип работы

Снабжение электричеством частных домов и крупных зданий – уже давно не мечта, а современная реальность. Сегодня владельцам загородных домов доступно питание от автономного источника электричества за счет применения солнечного света. В основе таких систем электроснабжения лежит солнечная батарея, отвечающая за трансформацию энергии.

При покупке солнечных панелей следует учесть, что мощность, производимая ими, напрямую определяет стоимость всей системы. Чем больше ватт производит батарея, тем дороже она обойдется. К примеру, у 100-ваттной цена будет в два раза дешевле, чем у 200-ваттной панели.

Мощность влияет и на габаритные характеристики батарей. Модуль, вырабатывающий 200 Вт энергии, по размерам будет больше, чем 100-ваттная панель. Помимо мощности, размер модулей зависит и от их типа. Выбирая солнечные батареи для дома, обратите внимание, чтобы у энергосистемы было достаточно мощности для снабжения всех используемых электроприборов. Также следует учесть соответствие размеров панелей величине той площадки, на которой они будут установлены.

Что такое солнечные батареи

О существовании солнечных панелей известно многим. Однако не все знают, как устроены эти агрегаты. В действительности их конструкция проста, поскольку включает в себя всего несколько компонентов. В классической солнечной панели, превращающей энергию солнца в электричество, присутствуют такие комплектующие:

• Сама батарея.
• Инвертор, обеспечивающий трансформацию постоянного тока в переменный.
• Аккумуляторный прибор, снабженный аппаратом, контролирующим заряд и разряд.

Схема работы солнечной батареи

Батарея, в свою очередь, имеет еще несколько компонентов. Их называют фотоэлектрическими преобразователями либо солнечными элементами. Большинство из них производится из кремния. Данные элементы могут иметь параллельные или последовательные соединения. Это свойство позволяет контролировать и менять важные параметры: напряжение, показатели мощности и силы тока. Параллельный тип соединения – предпочтительнее, поскольку он обеспечивает работу панели даже при поломке одного из элементов, правда, с уменьшенной эффективностью. При последовательном соединении это невозможно.

Для каких целей могут использоваться

Этот альтернативный источник электричества применяется для всего, что нуждается в электротоке. А именно для:

• Работы искусственного освещения в домах, школах, больницах и других сооружениях.
• Функционирования бытовых электрических приборов: холодильников, стиральных машин.
• Снабжения теплом при применении обогревателей невысокой мощности.
• Освещения садов, парков, улиц и трасс.
• Снабжения питанием медицинской техники и телекоммуникаций.
• Питания электричеством газопроводов и нефтепроводов.
• Подзарядки мобильных устройств и компьютеров с аккумуляторами.
• Снабжение электропитанием кондиционеров в жаркую погоду.
• Снабжения электричеством систем водоподготовки и подачи пресной воды.

В западных странах частные потребители уже активно используют солнечные батареи или ветрогенераторы для получения абсолютной независимости от централизованных поставщиков электричества, и уже оценили их окупаемость. Но больше всех солнечную энергию сейчас потребляют коммерческие организации. Широко распространились солнечные модули и в сельскохозяйственных комплексах.

Школа, которая обеспечивается электричеством за счет солнечных батарейк содержанию ↑

Принцип работы

Превращение энергии солнца происходит в фотоэлементах, подключенных последовательным или параллельным путем. В основе фотоэлектрического вещества лежит кремниевый кристалл. Кремний в виде соединений широко распространен на планете. К примеру, кремниевый оксид – песок или глина. Так что кристалл кремния в упрощенном варианте – это песчинка. Технические кристаллы производятся в лабораториях искусственным способом. Сначала они выращиваются в форме кругляка, затем получают из него шестигранник, из которого делают пластины. Каждая пластина имеет толщину 200 микрон, что всего в три раза толще обычного волоска.

На кремниевые пластины с одной стороны наносят бор, а со второй – фосфор. Там, где кремний соприкасается с бором, возникает избыток электронов. На противоположной, где пластина контактирует с фосфором, наблюдается их нехватка. Совмещение этих сторон называется границей p-n.

Когда на фотоэлементы в составе батарей попадает свет солнца, их поверхность атакуют фотоны. Они вытесняют «лишние» электроны на границе с бором, и направляются на противоположную – фосфорную сторону с «пробелами». Так появляется электрический ток, представляющий собой согласованное перемещение электронов. От фотоэлементов отходят металлические тропинки, через них и проводится ток. В этом и заключается суть работы солнечного элемента.

Принцип работы солнечной батареик содержанию ↑

Плюсы и минусы

Бытовое применение солнечной энергии имеет свои плюсы:

• Экологическая безопасность.
• Долговечность.
• Простота установки и эксплуатации панелей.
• Надежность.
• Независимость.
• Низкий уровень шума работы системы.
• Малый вес.
• Отсутствие быстро изнашиваемых подвижных элементов.

Но у применения батарей есть и минусы:

• Высокая стоимость.
• Работа электростанции сопровождается выделением тепла.
• Для установки системы необходим большой участок площади.
• Невысокий коэффициент полезного действия – до 25%.

Эффективность солнечных батарей зимой

Зимой главную роль играет угол наклона панелей, поскольку солнце находится низко над линией горизонта, и это сказывается на их производительности. Зачастую устанавливается оптимальный угол на круглый год.

Эффективность солнечных модулей в зимний сезон снижается от 3 до 8 раз, что зависит от региона. Чем ближе к экватору, тем выше продуктивность электростанции. С увеличением площади батарей повышается количество накапливаемой энергии в них. Если в летнее время для освещения, снабжения питанием компьютера и холодильника понадобится 1 кВт электричества, то есть результат работы четырех 250-ваттных панелей, то зимой для этих же целей потребуется в 2 кВт.

Зимой эффективность солнечной батареи снижается

При использовании солнечных коллекторов, владельцы должны контролировать состояние жидкости, которая проходит по трубкам, чтобы она не превратилась в лед.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

Внимание! Проконтролируйте во время установки станции оптимальный угол наклона, с учетом изменений солнца во все времена года. За счет такого решения зимой не понадобится ничего менять для повышения производительности.

к содержанию ↑

Виды батарей

Существует несколько разновидностей панелей, работающих от солнца:

• Батареи на основе кремния. Они изготавливаются методом выращивания монокристаллов из чистых кремниевых частиц, в процессе которого расплав затвердевает, контактируя с кристаллической затравкой. Кремний, охлаждаясь, застывает в специальной форме диаметром от 12 до 20 сантиметров. Слиток, полученный таким способом, нарезается на пластины толщиной до 300 микрон. Эти элементы показывают высокий КПД – до 19 процентов, что достигается особой ориентацией частиц монокристалла, способствующей увеличению активности электронов. Внутри батареи пластины кремния пронизаны металлическими электродами, по которым движется ток.
• Тонкопленочные панели. Технологии производства тонкопленочных элементов позволяют получить панели, чья стоимость дешевле, по сравнению с приборами из кремния. Поэтому пленочные модули используются для сборки крупных солнечных электростанций, когда владелец оборудования имеет ограничения, связанные не только с площадью земли, но и с ценой установки. Такие батареи устанавливаются не только на крышу, но и на стены зданий.
• Панели на основе аморфного кремния – эти модули показывают низкий КПД, не превышающий 8%. Однако они позволяют получать самую доступную по стоимости электроэнергию, по сравнению с другими кремниевыми преобразователями.
• Панели из теллуида кадмия изготавливаются посредством пленочных методов. Слой полупроводника составляет 2–3 сотни микрон. Производительность кадмиевых батарей составляет 11%. Зато эти модули обеспечивают дом энергией по более низкой цене, в отличие от кремниевых устройств.
• Панели, созданные из многокомпонентных полупроводников CIGS. Эти элементы состоят из индия, галлия, меди, силена. Данная разновидность батарей также производится пленочным способом, но по сравнению с кадмиевыми панелями, в процессе использования показывает более высокую производительность – КПД достигает 15%.

Внешний вид разных панелей солнечной батареик содержанию ↑

Расчет количества батарей

Чтобы рассчитать требуемую мощность солнечных панелей, следует узнать, какое количество энергии потребляется в доме или коттедже. К примеру, если потребление электроэнергии составляет 100 кВт в час ежемесячно с напряжением 220 В (нужную цифру покажет электрический счетчик), то необходимо обеспечить выработку солнечными панелями такого же количества энергии.

Дачный комплект батарей способен переработать энергию солнца лишь в течение светового дня. Приближенную к максимальному значению мощность она выдает только в безоблачную погоду, и когда солнечные лучи падают на нее под углом 90 градусов. Если угол увеличивается или уменьшается, показатель рабочей мощности снижается, и чем выше острота угла, тем меньше показатель мощности. В жарких условиях часть отдачи теряется из-за нагрева батарей. В пасмурные дни мощность установки сокращается в 15 раз, даже если на небе есть легкие облака, то мощность все равно упадет в 3 раза. Эти моменты нужно учесть заранее.

Важно! Для расчета рекомендуется брать рабочее время, в течение которого панели работают с наибольшей мощностью. Это 7 часов – с 9 до 16 часов. Летом батареи будут работоспособны с раннего утра до позднего вечера, однако эффективность после рассвета и перед закатом будет невысокая – всего 20% от полуденной мощности. Так что 80% электричества вырабатывается с 9 до 16 часов.

Расчет количества батарей для дачи или дома производится следующим образом:

• Учитывается, что солнечные модули летом функционируют только 7 часов с высокой мощностью.
• Рассчитываются затраты электрической энергии в день.
• Полученная цифра делится на 7. Результат – требуемая мощность электростанции.
• К этому значению добавляют 40%, с учетом потерь в аккумуляторе и инверторе.
• Прибавляется еще 20%, если применяется контроллер PWM, а если система работает с МРРТ, то этот пункт не нужен.

С учетом итогового значения мощности для питания дома, рассчитывают и выбирают число батарей.

При расчете количества солнечных батарей отталкиваются от необходимой энергиик содержанию ↑

Особенности установки

Есть ряд советов для владельцев частных домов, собирающихся использовать солнечные станции:

• Батареи лучше установить на южной части крыши или фасада либо на участке, который ориентирован на юг.
• Угол наклона выбирается в соответствии с широтой конкретного региона.
• Избегайте близости объектов, которые создают тень для солнечных панелей.
• Поверхность батарей нуждается в регулярной очистке от запыления и грязи.

Самые хорошие станции оснащаются системами отслеживания нахождения солнца. Очевидно, что солнечное излучение играет здесь главную роль, и не каждый регион имеет пригодные для этого условия. Важно учесть инсоляцию – сколько света доходит до земной поверхности на местности, где расположен «солнечный» дом.

lampaexpert.ru

Принцип работы солнечных батарей и их ключевые особенности

Главная особенность умного дома — обеспечение комфорта и безопасности приживающих при эффективном использовании ресурсов.

Такая задача решается установкой собственных источников энергоснабжения и автоматизированных систем, обеспечивающих бесперебойное поступление энергоресурсов за счет своевременного переключения подачи с различных источников.

Солнечные батареи (гелиосистемы) — один из вариантов автономного электроснабжения. Если вас заинтересовала данная информация, читайте дополнительно о том, как сделать солнечные батареи дома своими руками? Ознакомьтесь также с нашим материалом о солнечных электростанциях для вашего дома.

Исторический экскурс

Хотя первые устройства, вырабатывающие электрический ток под воздействием солнца, были сконструированы еще в XIX веке, фактически история создания солнечной батареи начинается с 1954 года. 25.04.1954 в США были получены первые фотоэлектрические элементы на основе кремния.

Их принцип работы позволил повысить КПД c 1% до 6%. Новые разработки в гелиоэнергетике велись постоянно, и в 1970 году КПД составлял уже 10%. Однако, из-за высокой стоимости производства, такие источники энергии по-прежнему использовались лишь в открытом космосе.

В конце 80-х — начале 90-х прошлого века, когда КПД фотоэлектрических элементов вырос до 20%, началось использования гелиоэнергии на Земле. В 2013 году были созданы элементы на индиево-галлий-арсенидной основе, КПД которых составляет 44,4% (компания Sharp). В том же году группа специалистов создала батареи с использованием линз Френеля. Их КПД составлял 44,7%.

Элементы солнечных батарей

Принцип работы фотоэлектрических панелей заключается в выработке постоянного тока. Так как все приборы работают от переменного тока, то для полноценной работы гелиосистем нужны несколько элементов:

• фотоэлектические панели (модули),
• аккумуляторы,
• контроллер аккумулятора,
• инвертор 12/24−220V.

Контроллер следит за зарядкой и разрядкой аккумулятора. Ивертор (преобразователь тока) — преобразует постоянный ток в переменный. Аккумуляторы нужны для хранения выработанной энергии. В батарее могут использоваться два типа аккумуляторов: свинцовые или гелевые.

Принцип работы фотопреобразователей

Модули состоят из отдельных элементов — фотоэлектропреобразователей (ФЭП). ФЕП — это кремниевые полупроводники, могут быть трех типов:

• из монокристаллического кремния,
• из поликристаллического кремния,
• из ленточного кремния (гибкого).

Принцип работы ФЭП построен на разнице потенциалов, так как полупроводник имеет два слоя (на атомном уровне) — n-типа и p-типа.

Между ними образуется слабое электрическое поле p-n переход.

Под воздействием фотонов света, выбиваются электроны в зоне n-типа и образуются дырки в зоне p-типа.

Если к кремниевой пластине подсоединить внешний проводник, то нему электроны из n-зоны перетекают в p-зону. При этом в проводнике появляется напряжение, то есть энергия фотонов света преобразуется в электрическую.

Из чего состоит модуль гелиоустановки?

В продаже есть готовые панели мощностью 40−260 пиковых ватт. Пиковые ватты показывают максимально возможную мощность при ярком солнце и правильной установке (угол наклона, соединение). Их размер колеблется от 0,4 до 2,5 квадратных метров.

При желании такой модуль можно собрать самостоятельно, но следует учесть, что нужно обеспечить высокую степень герметизации. В заводских условиях это достигается помещением модуля в вакуумную печь, где и производится ламинирование.

По своей конструкции модуль — это отдельные ФЭП элементы, соединенные между собой металлическими шинами. После соединения, получившуюся панель, шунтируют диодами. Это делается для предотвращения выхода из строя тех частей, которые могут оказаться затененными.

При отсутствии диодов энергия из освещенных ячеек перетекает в неосвещенные, из-за чего последние перегреваются. Если шунтирование произведено, то в момент затемнения панель дает меньшую мощность (на 25%), а все ячейки остаются работоспособными.

Далее панель ламинируют и помещают между многослойными стеклами, после чего заключают в пластиковый или алюминиевый каркас. К нижней стороне модуля подключают клеммную коробку, где находятся контакты для подключения к электрической цепи.

Как производить подключения?

Варианты монтажа солнечных панелей могут быть различны:

• Горизонтальный, при установке на плоскую крышу.
• Наклонный, при установке крышу с углом ската выше 15.
• Свободностоящий, при установке панелей на опорные конструкции.
• Интегрированный, при установке панелей, как элементов здания.

При выборе варианта следует учитывать, поверхность фотоэлементов должна быть ориентирована на юг, а оптимальный угол падения лучей на панель — 90º.

В идеале панели устанавливаются на поворотные конструкции. На практике угол наклона меняется два раза в год — в зимний период выставляется 60º-70º относительно линии горизонта, а в летний — 15º-20º.

Независимо от установки, принципиальная схема подключения в энергосистему дома не отличается. Ниже приведена схема подключения с использованием сетевого и аккумуляторного контроллера.

Это позволяет использовать энергию от гелиоустановки даже при наличии напряжения в центральной сети, что увеличивает эффективность использования ресурсов.

Какие альтернативы существуют и что лучше использовать?

Кроме гелиосистем, в качестве автономных источников энергии могут использоваться следующие виды:

• дизель-генератор,
• ветрогенератор,
• тепловой насос.

Дизель-генератор традиционно используется, как автономный или резервный источник питания.

Однако такие устройства имеют ряд недостатков — высокий уровень шума, пожароопасность, а также выделение в процессе работы большого объема выхлопных газов. Главное достоинство — стабильная работа, независимо от погодных условий.

Дизель-генераторы нельзя назвать независимыми источниками энергии, так как принцип их работы не выработка энергии, а преобразование с использованием невозобновляемых ресурсов.

Достоинства ветрогенератора — экологичность и полная автономность.

Недостаток — зависимость от погоды. Это очень ощутимый минус, так как при полном штиле можно надолго остаться без электричества. Тепловые насосы бывают различных конфигураций, они независимы от сезонности и внешних условий.

К условным недостаткам этого источника энергии можно отнести тот факт, что он вырабатывает только тепловую энергию. То есть его можно использовать для отопления или кондиционирования дома, а также для подогрева воды.

Учитывая недостатки и достоинства вышеперечисленных систем, можно сделать вывод, что умный дом должен иметь комбинированную систему. Например, солнечные батареи могут дополняться тепловым насосом. Такой вариант позволяет обеспечивать дом и тепловой, и электрической энергией.

https://youtu.be/aAH0LAiiHAA

umnodom.net

Как работает солнечная батарея | Мир невидимого

Вы наверняка обращали внимание, что обычный калькулятор работает при минимальной освещённости любой лампой. Сравнивая размер солнечного элемента калькулятора и стандартного солнечного модуля , мощность излучения , можно представить производительность.

И это не учитывая, спектр солнечного света, который значительно шире видимого излучения лампы. Здесь и инфракрасный и ультрафиолетовый. Этот пример наглядно показывает как солнечная батарея, от рассвета до заката, молча делает своё дело. Хотя КПД, в пасмурную погоду, естественно ниже, чем в солнечную.

Еще, чем ниже температура окружающей среды, тем выше КПД солнечной батареи.

Работа солнечной батареи

В наше время солнечные батареи все больше используются не в космической промышленности, а в повседневной жизни для питания и зарядки портативных электронных устройств. А в некоторых странах энергия Солнца уже активно используется не только в больших промышленных солнечных электростанциях. но и в домашних мини электроустановках. Рассмотрим принцип работы солнечной батареи. Каким образом световая энергия Солнца преобразуется в электрическую? Многим может показаться, что принцип преобразования световой энергии в электрическую в солнечной батарее очень сложен для понимания человеку, не имеющему высшего образования в этой области. Однако это не так. Рассмотрим детально этот процесс на примере работы фотоэлектрического преобразователя, которые используются в солнечных батареях прямого преобразования.

Первые фотоэлектрические преобразователи были созданы инженерами компании Bell Labs в 1950 году специально для использования в космосе. Их основу составляют полупроводниковые элементы. Во время попадания на них солнечного света происходит процесс, основанный на фольтовольтаическом эффекте в неоднородных полупроводниках. преобразования энергии света в электричество. Это прямое преобразование одной энергии в другую, поскольку сам процесс одноступенчатый – не имеет промежуточных преобразований. Эффективность такого преобразования напрямую зависит от электрических и физических свойств полупроводников, а также их фотопроводимости – изменения электропроводимости вещества при его освещении.

Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в p-n-переходе полупроводника при воздействии на него солнечного света. Напомню, что p-n-переход – это область полупроводника, где изменяется его тип проводимости с электроннойв дырочную. При попадании на переход солнечного света в n-области в результате перетекания зарядов образуется объемный положительный заряд, а в p-области – объемный отрицательный заряд. Таким образом, в области p-n-перехода возникает разность потенциалов. При объединении в определенном порядке нескольких фотоэлектрических преобразователей в модуль, а модулей в батарею, получаем солнечную батарею, способную генерировать электроэнергию.

Как работает солнечная батарея

Все живое на земле возникло, благодаря энергии солнца. Ежесекундно на поверхность планеты поступает огромное количество энергии в виде солнечного излучения. В то время, как мы сжигаем тысячи тонн угля и нефтепродуктов для обогрева жилища, страны, расположеные ближе к экватору изнывают от жары. Пустить энергию солнца на нужды человека - вот достойная для пытливых умов задача. В этой статье мы рассмотрим конструкцию прямого преобразователя солнечного света в электрическую энергию - солнечного элемента.

Тонкая пластина состоит из двух слоев кремния с различными физическими свойствами. Внутренний слой представляет собой чистый монокристаллический кремний, обладающий дырочной проводимостью . Снаружи он покрыт очень тонким слоем «загрязненного» кремния, например с примесью фосфора. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт. У границы n-и p- слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход.

Возникший на переходе потенциальный барьер препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом. Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электронно-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой . В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой - положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение . Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой - положительному.

Большинство современных солнечных элементов обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позвляют многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше. В типичном многопереходном солнечном элементе одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией.

Батареи работают не от солнечных лучей, а от солнечного света в принципе. Электромагнитное излучение достигает земли в любое время года. Просто в пасмурную погоду энергии вырабатывается меньше. Например, мы устанавливали автономные фонари на солнечных батареях. Конечно, бывают небольшие промежутки, когда батареи не успевают полностью заряжаться. Но в целом за зиму это не так уж и часто происходит.

Интересно, что даже если на солнечную панель попадает снег, она все равно продолжает преобразовывать солнечную энергию. А за счет того, что фотоэлементы нагреваются, снег сам оттаивает. Принцип такой же, как подогрев стекла у машины.

Идеальная зимняя погода для солнечной батареи морозный безоблачный день. Иногда в такие дни даже рекорды по генерации можно устраивать.

Зимой эффективность солнечной батареи падает. В Москве и Подмосковье в среднем в месяц она вырабатывает в 8 раз меньше электроэнергии. Скажем, если летом для работы холодильника, компьютера и верхнего освещения дома нужен 1 кВт энергии , то зимой для надежности лучше запастись 2 кВт.

При этом на Дальнем Востоке продолжительность солнечного сияния больше, эффективность снижается всего в полтора-два раза. Ну и, конечно, чем южнее, тем меньше разница между зимним и летним периодом.

Так же важен угол наклона модулей. Можно выставить универсальный угол, на целый год. А можно каждый раз менять, в зависимости от сезона. Делают это не владельцы дома, а специалисты, которые выезжают на место.

Принцип работы солнечной батареи и их виды

Энергия Солнца используется в промышленности и в повседневной жизни во многих уголках мира. Принцип работы солнечной батареи несложен, и это является одним из качеств данной технологии, которая привлекает большое количество людей. Кремниевый фотогальванический элемент помогает преобразовывать солнечный свет в электричество. Свободные электроны становятся источником электрического тока.

Разобравшись, как работает солнечная батарея, ее легко можно сконструировать самостоятельно и использовать для личных нужд. Такие батареи надежны, легки в использовании и долговечны. Преимуществом такого устройства является то, что оно может быть разного размера в зависимости от необходимого количества энергии.

Стоит выделить отдельные виды солнечных батарей. тонкопленочные, монокристаллические и поликристаллические панели. Самым популярным видом батарей являются монокристаллические. Благодаря фотоэлектрическому эффекту в силиконовых ячейках солнечная энергия преобразуется в электроэнергию. Такие батареи обычно достаточно компактны, поскольку оптимальным количеством ячеек в них считается тридцать шесть. Такие батареи идеально подойдут для установки на неровной поверхности.

Принцип работы солнечной батареи для дома   типа не сильно отличается. Благодаря прочному стеклопластиковому корпусу такие батареи могут быть использованы для получения энергии на кораблях. С их помощью можно обеспечить работу оборудования и подзаряжать аккумулятор. Такая установка не будет эффективно работать в облачную погоду. Также существуют определенные ограничения температур, при которых можно получать наибольшее количество энергии.

Большим спросом пользуются тонкопленочные батареи. Принцип работы солнечной батареи этого типа позволяет устанавливать ее в любом месте. Для таких батарей не нужны прямые солнечные лучи. Также эти батареи будут работать при большом количестве пыли. Недостатком таких солнечных батарей являются крупные габариты, из-за чего возникает необходимость в выделении большой площади под такие установки.

Источники: super-alternatiwa.narod.ru, scsiexplorer.com.ua, howitworks.iknowit.ru, recyclemag.ru, energorus.com

7 Чудес света современного мира

Пожалуй нет такого человека, который бы никогда не слышал о Египетских пирамидах, Колоссе Родосском, Висячих садах Вавилона или храме ...

Факты об исчезновении людей

Из исторических источников доподлинно известнына глазах множества свидетелей. Люди исчезают, но неизвестно, куда они перемещаются. Самый первый случай известен из истории Древней Греции: ...

Собака Лайка

Название этой породы собак происходит от слова «лаять». Родина лайки — Камчатка и Восточная Сибирь. Издавна собак использовали в качестве ...

Влияние инфразвука и приведения

Многие ученые, пытаясь убедить себя в невозможности сверхъестественных явлений, ищут для этого любую возможность. Так, Сотрудник университета Ковентри Вик Тэнди ...

Откуда произошли кошки

Кошка - это самое любимое домашнее животное человека. Это грациозное, ласковое, привлекательное и независимое животное. К семейству кошачьих также относятся: ...

Прозрачные дисплеи

Современные технологии в области техники и электроники не стоят на месте, ежедневно появляются новые и высокотехнологичные гаджеты, позволяющие реализовать ...

Китайская мудрость

Тонкой мудростью своей духовной культуры, насчитывающей многие века, надолго запомнится своим посетителям Китай. В мире не существует другой такой ...

Ленинские Горки

Когда-то это была усадьба помещика. Довольно процветающая, но потом случилась революция, отняли и дом, и землю. А вскоре это стало ...

Где находился город Библ?

Библ (греч. Библос) — библейский город Гебал, древний финикийский город, расположенный на берегу Средиземного моря, в 32 км от Бейрута ...

www.objectiv-x.ru

Устройство солнечных батарей

Сталкиваясь с солнечной энергитикой, многих людей интересует вопрос устройства солнечной батареи и сам принцип работы солнечной панели.

Как видно на примере картинки, солнечная батарея состоит из нескольких элементов: рама, прозрачное покрытие, специальная пленка, набор солнечных ячеек.

Стоимость готовых солнечных панелей (батарей) заводского производства довольно высока. Поэтому народные умельцы проявляют свои способности и пытаются сделать солнечные батареи своими руками. Возможно ли это? Конечно!

Устройство солнечной батареи довольно простое и сделать батарею своими руками вполне возможно при большом желании. Нужно только купить солнечные ячейки и другие комплектующие материалы, чтоб собрать солнечную батарею в домашних условиях.

Существует несколько способов самостоятельной сборки, все зависит от требуемой производительности, типа и качества фотоэлектрических элементов.

Устройство солнечной ячейки

Мощность одной пластинки-фотоэлемента очень слабая, зачастую ячейка расчитана на производство энергии от 1.5 до 4.5вольта. Именно поэтому, чтоб получить желаемую производительность солнечной батареи, их соединяют в последовательную цепь.

Здесь важно понимать, что если в цепи будет хоть одно слабое звено (бракованная ячейка) то все остальные будут работать так-же не эффективно как она. А потому, если вы собираетесь делать батарею собственными руками, перед сборкой нужно протестировать каждую ячейку- они должны выдавать строго одинаковое напряжение.

Принцип работы солнечного фотоэлемента:

Лучи солнечного света ударяясь о поверхность кремниевой пластины, выбивают избыточные электроны фосфора к недостающим электронам бора- которыми покрыта пластина с двух сторон.

Такое упорядоченное движение электронов –создает поток электрического тока, который двигается по соединениям через диод. Так в принципе устроен отдельно взятый кремниевый фотоэлемент.

Батарею собирают на приготовленном каркасе со специальным матовым стеклом которое не отражает свет, укладывают спаянные ячейки, покрывают прозрачной пленкой и в термической печи армируют.

Такая технология позволяет солнечной батарее преобразовывать солнечную энергию в электричество не только с лицевой стороны, но и улавливать ультрафиолетовую часть солнечного излучения с обратной стороны.

Кому интересно, можно посмотреть видео как собирают панели, из чего они состоят.

В настоящее время разрабатываются батареи нового поколения с высоким КДП, однако это все в далекой перспективе, а извлечь пользу из свойств солнечной батареи можно уже сейчас, оборудовав свой дом солнечными станциями.

Небольшой мощности солнечные электростанции, до 1.5 Квт. конечно вряд ли смогут полностью обеспечить потребности дома в электричестве, но, станут реальным фактором экономии и хорошим резервным источником энергии.

Cолнечная батарея принцип работы

Устройство и принцип работы солнечной батареи очень прост. Преобразование солнечного света происходит в фотоэлементах, которые сформированы в определенные группы и подключены последовательно.

Ниже представлена принципиальная схема работы солнечного комплекта.

Далее, энергия из панели направляется по проводам к солнечному контроллеру, где можно проследить сколько производит энергии батарея и силу тока.

Контроллер по сути является умным зарядным устойством для аккумуляторных батарей. С помощью этого устройства можно задавать различные параметры отбора солнечной энергии, и правильного заряда аккумуляторов.

В темное время суток- он предохраняет накопленную энергию в аккумуляторах от обратного течения.

Возможности солнечных батарей могут быть различными, все зависит от их количества- однако если у вас не будет емкости для хранения электричества, эти устройства будут практически бесполезны в домашнем применении.

Самое главное в устройстве системы солнечных батарей - это наличие большого аккумуляторного блока. Это позволит вам запастись большим количеством энергии которая нужна в очень пасмурные дни и темное время суток.

К примеру в моей домашней солнечной системе на 5 Квт, стоит 8 аккумуляторов по 200 Ам*ч. Чего вполне хватает для круглосуточного обеспечения энергией частного дома.

solar-batarei.ru

Солнечные батареи – виды и принцип работы преобразователей

Ещё не так давно автономная система обеспечения электроэнергией была чем-то из области фантастики. Но в последнее время такие устройства приобретают большую популярность. Экономные жители европейских стран уже много лет пользуются солнечными батареями для обеспечения собственных домов электричеством.

В нашей стране такое новшество ещё на стадии развития, хотя некоторые домовладельцы уже успели по достоинству оценить выгоду от таких устройств. В первую очередь, это обусловлено постоянно растущими тарифами на электроэнергию и другие коммунальные услуги. Благодаря постоянному усовершенствованию современных технологий стоимость солнечных батарей медленно, но уверенно падает, что делает их более доступными для среднестатистического потребителя.

Как устроена солнечная батарея?

Конструктивное исполнение разных моделей устройств для преобразования энергии солнца в электричество имеет одинаковые элементы. Большая часть батарей состоит из следующих составляющих:

• устройство, генерирующее, постоянный ток;
• блок аккумуляторных батарей;
• преобразователь постоянной величины тока в переменную.

В свою очередь, конструкция солнечной батареи состоит из фотоэлектрического преобразователя. При этом в изготовлении таких преобразующих компонентов используют кремний – достаточно дорогой природный материал. На сегодняшний день рассматривают два основных типа фотоэлектрических преобразователей:

• преобразователи в изготовлении которых используется монокристаллический кремний;
• приборы из поликристаллического материала.

К важнейшим техническим параметрам всех солнечных батарей можно отнести их коэффициент полезной мощности. Благодаря этому критерию определяется экономичность и качество преобразующего устройства. Полезная мощность определяется на основании показателей тока и напряжения, которые будут зависеть от степени интенсивности солнечных световых потоков, попадающих на фотоэлементы.

Хочется отметить, что величина тока на выходе солнечной батареи зависит не только от интенсивности солнца, но и от габаритов принимающих элементов. Во время дождя или зимой, когда постоянно пасмурно показатели мощности и напряжения в значительной мере снижаются, что обусловлено уменьшением выходного тока.

Если батарею замкнуть на любой нагрузке с сопротивлением, то по такой цепи начинает протекать ток, величина которого будет зависеть от качества преобразующих элементов и интенсивности потока солнечных лучей. При этом мощностные показатели, выделяемые при нагрузке, будут равны величине тока и напряжения перемноженных между собой.

Максимальных мощностных показателей, потребляемых электрическими приборами можно достичь только при оптимальном сопротивлении, которое должно соответствовать пиковому значению КПД солнечной батареи. При этом каждое преобразующее устройство обладает своим оптимальным размером сопротивления, значение которого будет зависеть от параметров фотоэлектрических преобразователей.

В конструкцию солнечной батареи входят отдельные элементы, соединённые по последовательной или параллельной схеме благодаря чему, улучшаются параметры на выходе. При последовательном соединении увеличивается величина напряжения, а при параллельном — ток. Обычно на практике используют комбинацию методов соединения что позволяет увеличить общие выходные параметры прибора.

Преимуществом комбинированного варианта соединения фотоэлементов является и то что в значительной мере увеличивается надёжность солнечной батареи. В первую очередь — это обусловлено тем, что при выходе из строя отдельно взятого элемента это практически не повлияет на качество работы устройства в целом.

Для увеличения надёжности солнечных батарей их элементы шунтируются с помощью диодов. При этом для каждого фотоэлектрического элемента используется по 4 диода. Благодаря этому отдельные элементы, на которые не попадает свет не выходят из строя. В такой ситуации приблизительно на четверть уменьшается генерируемая выходная мощность.

Если пренебречь установкой диодов, то из-за перегрева элементы принимающие солнечные лучи будут ломаться, так как при отсутствии света они начинают потреблять ток, а благодаря использованию диодов ток не будет проходить через них.

Солнечные батареи – принцип работы

Все преобразователи световой энергии в электрическую работают по достаточно простому принципу, который известен большинству людей ещё со школьного курса физики. В частности, нужно вспомнить принцип действия p-n перехода. Именно благодаря ему происходит превращение света в электричество.

Такой принцип работы может проиллюстрировать транзистор со срезанным корпусом. Лучи света, попадая, на p-n переход преобразуются в электрический ток, о появлении которого будет свидетельствовать вольтметр, подключённый к выводам. При этом если увеличить площадь перехода показатели электроэнергии также возрастут. Поэтому все современные батареи имеют достаточно большие габариты, позволяющие в полной мере удовлетворить нужды потребителей в электрической энергии.

С каждым годом происходит усовершенствование материалов и конструкции солнечных батарей, благодаря чему в значительной мере увеличивается коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую. При этом параметры тока и напряжения на выходе прибора зависят от степени освещённости фотоприёмников.

Кремниевые преобразователи солнечной энергии

Солнечными батареями, изготавливаемыми из кремния, вырабатывается ток постоянной величины, образуемый благодаря попаданию на кремневодородные элементы потоков солнечного света. Особенность материала такова что световые потоки, попадающие на поверхность, производят сдвиг электронов с орбиты атома. Благодаря этому свободные электроны вырабатывают электричество. Такие преобразователи обладают высокой производительностью, но имеют сложную в изготовлении конструкцию, из-за которой значительно возрастает цена устройства. При этом на сегодняшний день различают определённые модели кремниевых устройств.

1. Монокристаллический преобразователь, отличительной особенностью элементов которого является общая направленность чувствительных к свету ячеек в одном направлении. Это, в свою очередь, позволяет работать солнечной батарее с максимальным коэффициентом КПД. Но для качественной работы фотоприёмники должны быть постоянно развёрнуты к свету.
2. Поликристаллическое устройство работает благодаря пластинам, состоящим, из разнонаправленных кристаллов кремния что снижает уровень КПД на несколько процентов. Также такие солнечные батареи отличаются внешне, так как состоят из пластин с правильной формой и тёмно-синим окрасом. Неоднородность оттенка и структуры таких устройств обусловлена разнородностью кристаллов кремния и наличием различных примесей.
3. Аморфное преобразующее устройство представляет собой тончайшие кремниевые слои, получаемые путём напыления материала в условиях вакуума. В качестве основы берут высококачественную металлическую фольгу, стекло или полимерные материалы. Такие солнечные батареи имеют незначительный КПД по сравнению с другими преобразователями. Это в первую очередь обусловлено повышенным выгоранием кремниевого слоя под влиянием радиации солнечных лучей. Как стало известно, из практики качество работы аморфного преобразователя через несколько месяцев снижается на 25%, а по прошествии нескольких лет солнечная батарея совсем перестаёт работать.
4. Гибридный фотопреобразователь – устройство, объединившее в себе аморфные панели и микрокристаллический кремний. Качество работы гибридного преобразователя приближено к характеристикам поликристаллического аналога, с единственным отличием в том, что уровень КПД даже при рассеянном свете на порядок выше. Помимо этого, такие солнечные батареи могут преобразовывать как ультрафиолетовый спектр, так и инфракрасное излучение.

Полимерный преобразовать солнечной энергии

Полимерный преобразователь солнечной энергии в электрическую – перспективный вариант замены кремниевого аналога. Прибор состоит из плёнки с полимерным активным слоем, электродов из алюминия и подложки с высокой гибкостью. Благодаря объединению всех фотоэлементов между собой получается устройство рулонного типа.

Такие солнечные батареи достаточно гибкие и имеют незначительный вес. При этом их стоимость намного ниже чем у аналогов из кремния, который является дорогостоящим материалом. Помимо этого, такие системы обладают высокой экологичностью что очень актуально на сегодняшний день.

Хочется отметить, что полимерные солнечные батареи имеют невысокий КПД. Для широкого потребителя первые такие устройства начали производить в Дании. При этом сама процедура производства происходит за счёт многослойной печати фотоэлементов на специальной гибкой плёнке, которую можно разрезать по любым размерам что очень удобно. Стоимость плёночного элемента намного меньше чем у аналогов из кремния. Но повстречать такую солнечную батарею на прилавках магазинов практически невозможно. Процесс производства только входит в начальную стадию развития.

Работа солнечной батареи в плохую погоду

Солнечная батарея – замечательный источник электричества, придуманный человеком. Но из-за того, что основной работы таких устройств является солнечный свет, то если на улице дождь или тучи, эффективность их работы падает в разы. Особенно это актуально в осенне-зимний период года, когда погода не балует большим количеством солнечных дней.

Исходя из опыта использования солнечных источников электричества, зимой коэффициент производимой энергии падает практически в 5 раз. А если взять во внимание, что производительность таких устройств изначально ниже стандартного электроснабжения, то использование солнечных батарей зимой или в пасмурную погоду практически бессмысленно.

Помимо этого, при выпадении снега нужно выполнять очистку панелей, причём делать это нужно с максимальной осторожностью, так как любой дефект или повреждение фотоэлементов значительно снизит работу батареи в целом. А если говорить об осадках в виде града, то они просто губительны для солнечных батарей, так как все модули от механических ударов льдинок приходят в полную негодность.

Естественно, на сегодняшний день можно увеличить производительность солнечного источника электроэнергии в пасмурную погоду или зимой. Для этого были разработаны специальные приборы, отслеживающие положение солнца. Это позволяет моноблоку располагаться под правильным углом к источнику света. В первую очередь — это важно по той простой причине, что даже незначительное отклонение батареи от солнца сильно снижает её производительность. И чем сильнее угол отклонения, тем меньше электричества вырабатывается устройством.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

elektro.guru

---

• 
  Принцип работы солнечной панели
• 
  Бензогенератор не выдает напряжение причины
• 
  Бензогенератор не выдает напряжение причины
• 
  Пвх сварка
• 
  Пвх сварка
• 
  Ручной заклепочник для вытяжных заклепок
• 
  Ручной заклепочник для вытяжных заклепок
• 
  Сварка в углекислом газе
• 
  Сварка в углекислом газе
• 
  Таблица сера и медь
• 
  Таблица сера и медь