Что такое солнечные батареи?

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.

Сравнительный обзор различных видов солнечных батарей

Сейчас доступен такой вид альтернативной энергии, как солнечная. При помощи размещения специальных солнечных батарей можно получать электричество, которое полностью сможет покрыть все ваши энергозатраты. Но здесь одной батареи будет недостаточно, понадобится целая система. Количество панелей зависит от их мощности, типа и потребляемого количества энергии. Перед тем как обзавестись собственной солнечной электростанцией, ознакомьтесь с видами солнечных батарей и выберите для себя оптимальный.

Что такое солнечная батарея

Главная задача солнечной батареи – это преобразовать солнечный свет в электроэнергию. То есть за счет установки нескольких конструкций можно обеспечить дом током, не прибегая к использованию общей электросети. Солнечные панели являются экологически чистым способом преобразования света в ток, при этом они выдают самый высокий показатель эффективности в отличие от других альтернативных источников энергии.

Панель представлена в виде прямоугольника. Размер панели схож с шифером. Это самый распространенный тип. На ней размещено 36 элементов, которые покрыты фотопленкой или стеклом. При помощи соединения и специальных туннелей свободные электроны, которые образуются под действием солнечного света, передвигаются и накапливаются в виде постоянного тока в аккумуляторе. Когда там собирается необходимое количество тока, он при помощи инвертора перерабатывается на переменный с нужным напряжением 220В. Но, чтобы обеспечить дом электроэнергией полностью или частично, понадобится несколько таких солнечных панелей. Важным элементом системы являются крепления для солнечных панелей.

Виды кремниевых батарей

Наиболее популярными являются кремниевые батареи. Они отличаются долговечностью и качественной работой. Их различают два вида: монокристаллические и поликристаллические.

Монокристаллические

Такой вид батарей относится к самым дорогостоящим, потому что они изготавливаются из высококачественных материалов при соблюдении сложного технологического процесса. Главным материалом служит слой из специально выращенных кристаллов кремния. Готовые панели представляют собой бруски с кремниевой решеткой темно-синего цвета с закругленными краями. В процессе производства модуль разрезают на более тонкие пластины.

В результате использования качественного сырья и сложного процесса производства кремниевые монокристаллические панели достигают наивысших показателей производительности (КПД до 25%), а также отличаются длительным сроком эксплуатации с минимальным процентом деградации (около 5% за 25 лет). Высокий показатель эффективности достигается за счет использования всей поверхности модуля, даже захватывая рассеянный солнечный свет.

Несмотря на дороговизну монокристаллических конструкций, они быстрее себя окупают. Кроме того, из-за высокой мощности и производительности их можно использовать в меньшем количестве, тем самым экономя на площади. Однако нужно постоянно за ними ухаживать, так как малейшее загрязнение или затемнение приводит к существенному снижению выработки.

Поликристаллические

В производстве поликристаллических модулей участвует несколько кристаллов. По своим качествам они уступают монокристаллическим. Во-первых, это связано с использованием низкокачественного кремния, а во-вторых, с более простым процессом производства. В их основу заложен материал, который получен при переработке непригодных монокристаллических батарей и залит в формы, поэтому батареи имеют неоднородный цвет синего оттенка.

Солнечные панели из поликристаллов довольно тонкие, но ввиду меньшей производительности их потребуется больше, чтобы обеспечить себя необходимым количеством энергии. Но, несмотря на существенные минусы, поликристаллические солнечные батареи пользуются большой популярностью. Это связано с тем, что они менее прихотливы к захватыванию солнечного света и работают с большей отдачей в пасмурную погоду. Кроме того, с каждым годом инженеры работают над повышением величины КПД поликристаллических модулей, что в скором времени приблизит их к показателю 20-22%.

Виды пленочных батарей

Теперь рассмотрим виды солнечных батарей пленочного типа. Пленочная панель достаточно недавно появилась в сфере получения альтернативной солнечной энергии. На сегодняшний день они не пользуются большой популярностью, в том числе и из-за высокой стоимости, но имеют свои преимущества. Они бывают нескольких типов. Рассмотрим каждый из них: на основе теллурида кадмия и на основе Cigs.

На основе теллурида кадмия

Первый тип пленочной солнечной панели произведен на основе теллурида кадмия. Данное решение оправдано высоким уровнем поглощения кадмием солнечного света. Еще несколько десятков лет назад кадмий активно применялся в космосе, но никак не для домашнего использования, потому что он обладает высокой степенью ядовитости. Но при пользовании солнечными панелями он не составляет угрозы для человеческого здоровья. Все испарения, полученные при его активации солнечной радиацией, уходят в атмосферу.

На основе CIGS

Вторым представителем пленочных солнечных батарей выступают панели на основе использования CIGS. Это полупроводник, который состоит из таких элементов как галлий, медь, индий и селен. Они имеют схожую структуру с кадмиевыми панелями, гибкие и отличаются широким способом применения. Солнечная панель на основе полупроводника CIGS используется в космических спутниках, при производстве жидкокристаллических мониторов или в качестве портативных туристических приспособлений для получения энергии.

Пленочная панель на основе галлия – это новое направление в сфере источников питания. В отличие от кадмиевых батарей эффективность их работы достаточно высока, от 15 до 20%, поэтому они составляют прямую конкуренцию монокристаллическим батареям. Если научно-исследовательским центрам удастся снизить себестоимость производства таких панелей, то они смогут стать лидерами на рынке данной продукции.

Амфорные батареи

Еще одним типом солнечных батарей являются амфорные модули. Такая солнечная батарея производится из амфорного кремния и отличается от стандартных кремниевых батарей способом изготовления. Здесь используется не чистое сырье, а его гибрид, а если быть точнее, то горячие пары, которые осаждают подложку. Принцип напоминает больше производство пленочных батарей. Результатом подобной работы становятся готовые солнечные панели, однако при этом не нужно выращивать кристаллы, что резко сокращает и время, и затраты на производство. Основным материалом выступает силан.

Сегодня на рынке солнечных панелей амфорные модули представлены тремя поколениями. Основная разница между панелями заключается в эффективности их работы. Если первый вариант солнечной панели был выпущен с заявленными характеристиками КПД максимум 5%, второе поколение достигло 9%, то на сегодняшний день их показатель уже равняется 12%. Они не такие распространенные, так как остаются в цене предельно дорогими, но при этом уступают в производительности кремниевым солнечным панелям.

Особые характеристики амфорных батарей:

• Возможность применять гибкую панель на любых участках, строениях или архитектурных объектах.
• Стабильная работа при критически высоких показателях температуры.
• Долгий срок службы – до 25 лет.
• Невысокий процент КПД.
• Лучшая производительность наравне с другими панелями при рассеянном солнечном свете.

Если обратиться к практике, то батарея из амфорного кремния активно используется в качестве тонких пленочных модулей. Это связано с особенностью производственного процесса, где в результате получается панель на гибкой, а не на твердой подложке. Как бы ни казалось странным, амфорные батареи стоят дороже, особенно за счет своей эластичной структуры. Наибольший спрос на них в северных районах, так как благодаря физико-химическому составу модулей им свойственно поглощать солнечную энергию даже при слабом рассеянном свете.

После описания всех видов солнечных панелей остается только сделать вывод, какие модули лучше всего выполняют функцию выработки электроэнергии. Дать однозначный ответ нельзя, потому что необходимо отталкиваться от финансовых возможностей и от желаемой мощности солнечной батареи. Первое место специалисты отдают монокристаллическим панелям ввиду их высокой эффективности и долгого срока службы, однако данный показатель не всегда является значимым. Здесь важно оценить все технические характеристики работы панелей в комплексе, а также сопоставить их стоимость.

Как работает солнечная батарея? Виды и устройство.

Поверхность земли постоянно освещается солнечным светом, это обеспечивает жизнь всем живым существам. Еще совсем недавно применение солнечной батареи казалось невозможным, но на сегодняшний день каждый желающий имеет возможность приобрести данное устройство. Особенно актуален вопрос среди дачников, желающих при наименьших денежных затратах пользоваться электричеством. Солнечные батареи активно используются в промышленных масштабах, ведь солнечные электростанции современного типа способны получать количество электроэнергии, необходимое для малых городов. Немаловажным является отсутствие вреда для экологии при использовании солнечных батарей. Солнечные батареи активно используются в странах Европы, Израиле.

В статье описаны виды солнечных батарей, их устройство, принцип работы солнечной электростанции. Так как же работает солнечная батарея? – Давайте узнаем.

Виды солнечных панелей

Солнечная батарея в общем виде – конструкция, содержащая темные детали с полосами из металла, проводящими электрический ток. Детали покрыты стеклом. Существующее множество солнечных батарей показано на рисунке.

– По мощности До 10 Вт
– От 200 Вт

По виду фотоэлементов

– Фотохимические
– Органического вида
– Основа – полупроводники из кремния
– Основа – арсенид галлия

– Гибкие (могут удобно сворачиваться, имеют популярность среди туристов).

Фото солнечной батареи, способной скручиваться в рулон

Портативная солнечная батарея

Устройство солнечной батареи

Составные элементы солнечной батареи:

1. Два слоя кремния (между собой образуют пластину, внутренний слой – кремний на монокристаллической основе, обладает проводимостью р-типа, наружный слой – кремний, содержащий различные примеси, данный слой имеет проводимость n-типа).
2. Каркас с фотоэлементами (детали расположены таким образом, чтобы в случае поломки их можно было починить).
3. Аккумуляторы (один является основным, второй – запасным).
4. Пластик закаленного вида, покрывающий всю конструкцию от повреждений.

Принцип работы солнечной батареи заключается в следующем: электроны выходят из р-слоя, затем попадают в n-слой, предварительно пройдя определенную нагрузку. N-слой выступает источником избыточных электронов.

Аккумуляторы солнечных батарей работают следующим образом: основной собирает электрическую энергия для последующей транспортировки в сеть, другой аккумулятор работает в запасном режиме (накапливает энергию сверх нормы, а затем, при снижении напряжения, энергия поступает в сеть).

Детали солнечной батареи важно беречь от метеорной пыли и радиации, данные элементы способствуют появлению эрозии на кремниевых слоях.

Солнечная энергия как альтернативный источник энергии зарекомендовала себя с положительной стороны и применяется во многих сферах жизни человека.

Виды кристаллов фотоэлементов

Вид и Характерные особенности

Поликристаллы → Отличительная особенность – синий цвет, КПД – 14%.

Монокристаллы → Эффективность – 16%.

Основа – аморфный кремний → Производительность – 6-8%.

Основа – полупроводнике CIGS → Значение эффективности – 25%.

От вида кристаллов фотоэлемента зависит, как работает солнечная панель. Панели на основе монокристаллов обладают высокой эффективностью, цена конструкций высокая. К низкой ценовой категории относятся солнечные батареи на основе аморфного кремния, однако максимальная производительность таких конструкций всего 8 %. Работа солнечной панели на базе аморфного кремния не является продолжительной.

Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи заключается в следующем:

1. Происходит падение солнечных лучей на специальный фотоэлемент.
2. В фотоэлементе создаются пары электронно-дырочного типа.
3. Электроны сверх нормы переносятся из одного слоя полупроводника в другой, в результате данного процесса во внешней среде образуется напряжение.

Работу солнечной батареи можно сравнить с колесом, по которому передвигаются электроны. Аккумуляторы при таком движении постепенно накапливают заряд.

В жару менее продуктивно работает фотогальваническая составляющая солнечной батареи. Максимальную отдачу конструкции демонстрируют при ясной зимней погоде. Следует подчеркнуть, что падение снега не влияет на работу батареи, она все равно продолжает нормально функционировать.

Солнечную энергию можно преобразовывать не только в электрическую, но и в тепловую. В данном процессе происходит не преобразование, а накапливание энергии. В этом и заключается принцип работы солнечного коллектора: устройство собирает тепло и передает его в теплоноситель. Данная конструкция применяется при отоплении домов.

Солнечная панель включает в себя ряд фотоэлементов, создающих разность потенциалов под воздействием освещения. Если целью является увеличение напряжения, то нужно соединять фотоэлементы последовательным методом, в случае необходимости увеличения силы тока требуется соединить элементы параллельно.

Принцип работы фотоэлемента позволяет наглядно представить, как устроена солнечная панель.

Алгоритм преобразования энергии солнца в электрическую энергию:

• воздействие светом на полупроводники (фотоэлементы – два слоя полупроводника, имеющих различную проводимость, n-проводимость, p-проводимость);
• создание разности потенциалов;
• замыкание цепи;
• получение электрической энергии.

Рассмотрев, из чего состоит солнечная батарея, можно сделать вывод о несложной конструкции с относительно невысокими денежными затратами.

Преимущества и недостатки

К достоинствам солнечных батарей можно отнести:

• доступность для промышленных целей и частных лиц;
• постоянное существование источника энергии;
• легкость в обслуживании;
• безопасность в использовании;
• достаточно длительный срок эксплуатации конструкций.

Вырабатываемая солнцем энергия является альтернативной перспективой будущего по замене существующих электрических источников.

Недостатки солнечной энергии:

• малая эффективность недорогих конструкций;
• зависимость от погодных условий;
• постоянная уборка отражающей поверхности;
• дороговизна мощных установок.

Солнечная энергия является самой перспективной среди других видов энергии за счет следующих факторов:

• отсутствие вреда для экологии;
• постоянно возобновляемый источник.

Для снижения цены на солнечные батареи важно увеличить мощность потока солнечной энергии, попадающей на фотоэлемент.

Для достижения данной цели ученые разработали специальные конструкции:

• трекер (помощник в поиске энергии);
• концентратор необходимой энергии (с большой площади отправляет энергию на небольшой участок, приспособление имеет малый вес).

Применение вышеперечисленных деталей позволит солнечным панелям стать главным источником энергии при наименьших денежных затратах и отсутствием вреда для экологии.

На видео: Как работает солнечная батарея?