Принцип работы солнечной батареи, что такое солнечная батарея

Принцип работы солнечной батареи: материалы, устройство, схема подключения. Как работает солнечная батарея: видео. Как повысить эффективность батареи для дома.

Открытие

Впервые с фотоэлектрическим эффектом столкнулся в 1839 году французский физик Александр Эдмон Беккерель. Он проводил эксперименты с электролитическими элементами, используя платину в качестве электродов – анода и катода.

Александр Эдмон Беккерель
Александр Эдмон Беккерель (1820–1891)

Измеряя при этом ток, протекающий между электродами, ученый заметил, что при свете его величина незначительно возрастает по сравнению с величиной тока в темноте. Так было открыто явление фотоэлектрического эффекта. Но, хотя открытие и состоялось, практическое применение ему было найдено только через несколько поколений.

Из чего состоит

Солнечная панель представляет собой жесткое прямоугольное основание того или иного размера, на котором размещены отдельные ячейки – фотоэлементы. Для механической защиты и защиты от окружающей среды вся конструкция помещается в рамку и закрывается стеклом. Поскольку элементы очень хрупкие, с обеих сторон они дополнительно защищены полимерной подложкой, причем верхняя обязательно прозрачная.

Устройство солнечных панелей

Устройство солнечных панелей

На рисунке цифрами обозначены:

  • 1 – жесткое основание;
  • 2 – полимерная подложка;
  • 3 – рама;
  • 4 – защитное стекло;
  • 5 – ячейки фотоэлементов.

Каждая из ячеек является маленьким генератором, преобразующим свет (необязательно солнечный) в электрическую энергию. Для получения нужных выходных напряжения и тока фотоэлектрические ячейки электрически соединяются между собой тем или иным способом.

Из чего состоит и как работает солнечная батареяОтдельная ячейка солнечной панели

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос

Важно! Существуют и гибкие панели, которые можно буквально свернуть в трубочку. Такие панели имеют основание, на котором расположены элементы специальной конструкции (об этом ниже). Роль защитного стекла в них исполняют гибкие прозрачные полимеры.

Виды солнечных батарей

В настоящее время солнечные батареи представлены несколькими вариантами в зависимости от типа их устройства, и от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой.

I. Классификация по типу их устройства:

  1. 1. Гибкие;
  2. 2. Жёсткие.

II. В зависимости от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой выделяют:

1. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из кремния. Они в свою очередь бывают монокристаллическими, поликристаллическими и аморфными. Монокристаллические панели достаточно дорогой вариант, но они отличаются высокой мощностью.

Поликристаллические дешевле, чем монокристаллические панели. Такие панели медленней теряют свою эффективность с увеличением сроков службы, а так же при нагревании.

Аморфные представлены в основном тонкопленочными панелями. Такое устройство солнечной батареи позволяет генерировать солнечный свет, даже в плохих погодных условиях;

2. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из теллурида кадмия;

3. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из селена;

4. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из полимерных материалов;

5. Из органических соединений;

6. Из арсенида галлия;

7. Из нескольких материалов одновременно.

Основные типы, которые получили распространение, это многопереходные кремниевые фотоэлементы.

Фотоэлементы, выполненные из кремния, отличаются высокой чувствительностью к нагреванию, компактностью, надежностью и высоким уровнем КПД (коэффициента полезного действия).

Другие материалы не получили широкого распространения в связи с большой стоимостью.

Развитие рынка солнечных батарей

Разработкой солнечных батарей, предназначенных для выработки электроэнергии из солнечного света, в США занималась компания Hoffman Electronics Corp. В период с 1954 по 1960 годы ее конструкторам удалось поднять производительность гелиопанелей с 2% до 14%. Однако коммерческая успешность новых батарей была сомнительной – стоимость ватта энергии, полученной от солнечных панелей при ярком освещении солнечными лучами, составляла в те годы порядка 250 долларов. Производить электроэнергию при помощи ТЭЦ было гораздо выгоднее – цена «угольного» ватта обходилась не более чем в 2-3$.

Солнечные батареиЛесу Хоффману, владельцу компании-разработчика фотоэлектрических преобразователей (гелиопанелей), удалось получить армейский космический контракт и оснастить солнечными батареями небольшой площади американский спутник Авангард-1 (запущен в 1958 году), который, на момент написания этой статьи, по-прежнему исправно служит своим создателям на орбите Земли. Эффективность гелиопанелей в энергоснабжении космического аппарата оказалась настолько высока (изначально ставка делалась на аккумуляторные батареи, солнечные батареи считались сомнительным источником энергии), что для спутника Explorer 6 (запущен в 1959 году) Хоффману поручили создать батареи основного питания. Именно так появились знаменитые раскладные панели-крылья, которыми впоследствии оснащалось большинство космических спутников.

За исключением космической индустрии и нескольких производителей дорогих электромеханических игрушек, 50 лет назад солнечные батареи более никого не интересовали, несмотря на снижение стоимости ватта до 100$ в 1971 году, с появлением интегральных микросхем.

Энергетический кризис, произошедший в начале 70-х годов XX века, изменил представление крупнейших игроков мирового рынка энергоносителей об альтернативной энергетике и в частности – о солнечных батареях. Корпорации BP, Shell, Exxon и Mobil направили часть прибыли на разработку гелиопанелей.

Особенный интерес к энергетическим перспективам проявила Exxon. По оценке ее аналитиков динамика роста цен на энергоносители через 30-40 лет станет весьма интересной для солнечной энергетики и гелиопанели принесут ощутимую прибыль. Совет директоров Exxon привлекли к разработкам в этой области Эллиота Бермана, с конца 60-х проводившего исследования, касающиеся солнечной энергетики. Берман создал технологию печатных ячеек, удешевившую цену ватта, вырабатываемого солнечными батареями, со 100$ до 20$ всего за два года – с 1970-го по конец 1972-го.

Долгосрочные прогнозы Exxon в отношении солнечной энергетики оправдались – в начале 2008 года стоимость нефти взмыла до отметки 147$ за баррель (сорт WTI), что во многом объяснялось истощением месторождений. Последовавший экономический кризис снизил цены на баррель нефти до 33$, однако сейчас расценки на фьючерсы WTI составляют чуть более 101$ за баррель.

В начале XXI века американские корпорации, лидирующие на рынке фотоэлектрических преобразователей, массово перенесли свои производства в Китай. Наряду с удешевлением производственных процессов эта мера позволила снизить расценки в 2012 году до 2$ за ватт номинальной мощности.

Использование солнечных батарей в различных странах

Всего несколько таких устройств позволяют снабдить электрической энергией небольшую деревню. В тех странах, где Солнце является особенно активным, уже давно функционируют солнечные электростанции. Речь идёт об Испании и Индии, а также Саудовской Аравии и южной части Соединённых Штатов Америки.

Современные учёные уже работают над вопросом возведения солнечных электростанций за пределами атмосферы. Это позволит более эффективно использовать солнечную энергию, поскольку там она не рассеивается. Специалисты предлагают переводить излучение в микроволны и транспортировать на Землю.

Сегодня многие страны задумываются о производстве и применении солнечной энергии. Лидерство в этой отрасли принадлежит трём странам. Это Соединённые Штаты Америки, Германия и Япония. Но данное направление стремительно развивается и в Российской Федерации. Наибольшее количество установок по производству солнечной энергии на сегодняшний день построено в Краснодарском крае. Также в списке присутствуют Республика Дагестан, Ставропольский и Хабаровский край, Бурятия и Костромская область.

Производство солнечных батарей сегодня увеличивается с каждым днём. Наибольшее их количество выпускается, как это неудивительно, в Китае, где производится почти треть продукции всего мирового рынка. Большая её часть отправляется на экспорт в европейские страны, а также Соединённые Штаты Америки. В последних, к слову, потребляют больше всего солнечной энергии, а производят всего около шести процентов от общемирового количества.

В Японии и Германии производят немного меньше солнечной энергии, чем в Китае. На четвёртом месте в общемировом рейтинге находится Тайвань.

Устройство солнечной батареи

Рисунок №2. Схема солнечной батареи.

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

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

Как подключается

Как было сказано раньше, устройство солнечной батареи достаточно сложное. Правильная схема солнечной батареи поможет добиться максимальной эффективности. Подключать блоки преобразователей необходимо при помощи параллельно-последовательного способа, что позволит получить оптимальную мощность и максимально эффективное напряжение в электрической сети.

солнечная батарея

Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов

Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры.

Частичное затемнение панели вызывает падение выходного напряжения за счёт потерь в неосвещённом элементе, который начинает выступать в роли паразитной нагрузки. От данного недостатка можно избавиться путём установки байпаса на каждый фотоэлемент панели.

Из рабочей характеристики фотоэлектрической панели видно, что для достижения наибольшей эффективности требуется правильный подбор сопротивления нагрузки. Для этого фотоэлектрические панели не подключают напрямую к нагрузке, а используют контроллер управления фотоэлектрическими системами, обеспечивающий оптимальный режим работы панелей.

Использование солнечной энергии для бытовых нужд

Если говорить о частном домовладении, то сегодня практически каждый желающий может установить на крыше своего строения солнечные панели. Они могут служить для отопления помещений, а также подогрева воды. С помощью специалистов можно грамотно организовать такую систему и с успехом использовать её.

Также солнечные батареи начинают применять в автомобилестроении. Они являются основой столь популярного на сегодняшний день экологически безопасного транспорта. Современный автомобиль, работающий от солнечной батареи, может развивать скорость до 135 километров в час.

Солнечные батареи также используются в космонавтике, где снабжают электричеством всех систем космических станций и позволяют обеспечить бесперебойную работу всех механизмов.

Исходя из всего вышесказанного, можно заметить, что за солнечными батареями – будущее. Если вы хотите получить экономичный и экологически чистый источник электрической энергии, установите солнечную батарею.

Недостатки солнечной электроэнергетики

  • Необходимость использования больших площадей.
  • Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в вечерних сумерках, в то время как пик электропотребления приходится именно на вечерние часы.
  • Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества[35].

Cолнечные электростанции подвергаются критике из-за высоких издержек, а также низкой стабильности комплексных галогенидов свинца и токсичности этих соединений. В настоящее время ведутся активные разработки бессвинцовых полупроводников для солнечных батарей, например на основе висмута[30] и сурьмы.

Из-за своей низкой эффективности, которая в лучшем случае достигает 20 процентов, солнечные батареи сильно нагреваются. Остальные 80 процентов энергии солнечного света нагревают солнечные батареи до средней температуры около 55 °C. С увеличением температуры фотогальванического элемента на 1° его эффективность падает на 0,5 %. Активные элементы систем охлаждения (вентиляторы или насосы), перекачивающие хладагент, потребляют значительное количество энергии, требуют периодического обслуживания и снижают надёжность всей системы. Пассивные системы охлаждения обладают очень низкой производительностью и не могут справиться с задачей охлаждения солнечных батарей[36].

Опрос

Примите участие в опросе!

Загрузка ...

 Загрузка …

Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Этим вы поможете развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье оставляйте в комментариях.

Вернуться к содержанию

Производство

Очень часто одиночные фотоэлементы не вырабатывают достаточной мощности. Поэтому определенное количество фотоэлементов соединяется в так называемые фотоэлектрические солнечные модули и между стеклянными пластинами монтируется укрепление. Эта сборка может быть полностью автоматизирована.

По материалам Wikipedia

Эффективность солнечных панелей

Есть у кремния еще один минус, который не так существенен, как стоимость, но с которым тоже надо бороться. Дело в том, что кремний очень сильно отражает свет и из-за этого элемент вырабатывает меньше электричества.

Даже повесив столько панелей, все равно надо обеспечивать их нормальную работу. В том числе бороться с отражением света.

Как солнечный свет влияет на продуктивность человека?

Для того, чтобы уменьшить такие потери, фотоэлементы покрывают специальным антибликовым покрытием. Кроме такого слоя, надо использовать и защитный слой, который позволит элементу быть более долговечным и противостоять не только дождю и пыли, но даже падающим веткам небольшого размера. При установке на крыше дома это очень актуально.

Солнце -сила! Ее надо использовать!

Несмотря на общую удовлетворенность технологией и постоянную борьбу за улучшение показателей, современным солнечным панелям все равно есть куда стремиться. На данный момент массово производятся панели, которые перерабатывают до 20 процентов попадающего на них света. Но есть и более современные панели, которые пока ”доводятся до ума” — они могут перерабатывать до 40 процентов света.

А вообще, солнечная энергетика это круто! И помните, даже при таком «пАлящем» солнце система будет работать.

Схема электропитания дома от солнца

Система солнечного электроснабжения включает:

  1. Гелиопанели.
  2. Контроллер.
  3. Аккумуляторы.
  4. Инвертор (трансформатор).

Контроллер в этой схеме защищает как солнечные батареи, так и АКБ. С одной стороны он препятствует протеканию обратных токов по ночам и в пасмурную погоду, а с другой – защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.

Аккумуляторы для гелиопанелей

Аккумуляторные батареи для гелиопанелей следует подбирать одинаковые по возрасту и емкости, иначе зарядка/разрядка будут происходить неравномерно, что приведет к резкому снижению срока их службы

Для трансформации постоянного тока на 12, 24 либо 48 Вольта в переменный 220-вольтовый нужен инвертор. Автомобильные аккумуляторы применять в такой схеме не рекомендуется из-за их неспособности выдерживать частые перезарядки. Лучше всего потратиться и приобрести специальные гелиевые AGM либо заливные OPzS АКБ.

См. также

  • Фотоэлемент
  • Многослойная солнечная батарея
  • Солнечная энергетика
  • Солнечная генерация
  • Солнечный коллектор

Видео

Как устроена солнечная батарея, расскажет наше видео.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...