Site Loader

Содержание

принцип работы панелей, готовые комплекты российского производства для частного дома

Ежеминутно на поверхность нашей планеты попадает много солнечной энергии, без которой жизнь на Земле невозможна. Однако это еще не все, на что она способна, сегодня мы вступаем в эру альтернативных возобновляемых источников энергии, используя активность Солнца, ветра и воды. Крупнейшие солнечные электростанции уже вырабатывают около 1% всей мировой электроэнергии, поэтому будущее за новыми разработками. И этим мы обязаны науке и современным технологиям, благодаря которым это стало возможным.

Устройство панелей

Растущая в цене электроэнергия поневоле заставляет задуматься об экономии. И отличной альтернативой в данном случае считаются природные источники энергии. Оптимальным решение для частного дома является альтернативная электростанция – солнечная батарея.

Изначально может показаться, что вся система солнечной батареи слишком большая, а принцип ее работы невероятно сложен. И чтобы понять, как функционирует солнечная батарея в деле, необходимо детально рассмотреть ее конструкцию.

В действительности гелиосистема устроена довольно просто и состоит из четырех основных элементов.

  • Солнечная батарея – по форме и размерам представляет собой прямоугольную панель с определенным количеством пластинок. В основу солнечной батареи входят полупроводниковые материалы. Миниатюрные преобразователи собираются в модули, а модули – в единую систему гелиоколлектора.
  • Контроллер – выполняет функцию посредника между солнечным модулем и аккумулятором. Он необходим для отслеживания уровня заряда аккумулятора. Его роль крайне важна во всей цепи – контроллер не дает закипать или падать электрическому потенциалу, который необходим для стабильного функционирования всей системы.
  • Инвертор – преобразует постоянный ток солнечного модуля в переменный 220-230 вольт. Гибридный сетевой инвертор может использовать для своей работы как постоянный, так и переменный ток. Но стоит учитывать, что для работы инвертора тоже необходима энергия, и его расход составляет порядка 30% потерь на преобразование. И в пасмурную погоду или в темное время суток вся энергия для работы будет расходоваться из аккумулятора. То есть если аккумулятор разрядится, то инвертор перестанет работать.
  • Аккумулятор – преобразованная в электричество солнечная энергия не всегда используется в доме в полном объеме. Излишки могут накапливаться в аккумуляторе и использоваться в темное время суток и в пасмурную погоду.

Но перед тем как приступить к выбору и установке солнечной батареи на крыше, необходимо разобраться в принципах работы устройства, а также рассчитать рабочие узлы гелиосистемы.

Технические характеристики

Основным элементом каждой солнечной батареи является фотоэлектрический преобразователь.

В массовом производстве используется три типа элементов из кремния.

  • Монокристаллические – искусственно выращенные кремниевые кристаллы нарезаются на тонкие пластины. В основу модуля входит очищенный чистый кремний. Поверхность больше похожа на пчелиные соты или небольшие ячейки, которые соединяются между собой в единую структуру. Готовые маленькие пластинки соединяются между собой сеткой из электроводов. В данном случае процесс производства более трудоемкий и энергозатратный, что отражается на конечной стоимости солнечной батареи. Но монокристаллические элементы обладают большей производительностью, а средний КПД составляет около 24%. Срок службы монокристаллических батарей больше, они прослужат в среднем около 30 лет.
  • Поликристаллические – в основе кремниевый расплав. Такие модули считаются оптимальным решением для жилого частного дачного дома. Несколько кристаллов из кремния объединяются в один фотоэлемент. Поверхность поликристаллической солнечной батареи имеет неоднородную поверхность, из-за чего хуже поглощает свет. И КПД, соответственно, ниже, находится в пределах 20%. Срок службы поликристаллической панели составляет 20-25 лет. Они имеют характерное отличие – темно-синий цвет покрытия. Такие модули дешевле аналогов, что позволяет окупить всю систему примерно за 3 года.
  • Тонкопленочные
    – имеют гибкую подложку, что позволяет монтировать батарею на любую поверхность с углами и изгибами. Тонкий слой полупроводников наносится методом напыления на поверхность батареи. Такие системы имеют очевидный недостаток – маленький КПД. Производительность в среднем составляет около 10%. То есть для обеспечения энергией дома потребуется в два раза больше тонкопленочных батарей, чем поликристаллических. И срок службы таких панелей меньше других аналогов – в среднем ресурс работы составляет около 20 лет.

Идеально, если солнечные батареи могут полностью обеспечить дом электроэнергией. Но довольно часто энергия Солнца используется для горячего водоснабжения или же для отопления. Но чтобы выполнить любую из этих целей, необходимо высчитать реальную мощность на квадратный метр и необходимое количество модулей. Мощность солнечного модуля зависит от количества солнечных лучей, которые попадают на поверхность батареи. Чтобы правильно сделать выбор, также следует изучить принцип действия домашней мини-электростанции.

Принцип действия

Первый прототип гелиоколлектора, который всем известен еще с прошлого века – это дачный летний душ. Он представлял собой большую емкость, которая окрашивалась в черный цвет, в течение дня вода в ней нагревалась, что позволяло каждому дачнику вечером принимать теплый душ.

Гелиоколлектор – это плоская панель, которая располагается на улице, как правило, на крыше, и способна преобразовывать 90% солнечного излучения в энергию. В дальнейшем энергия отправляется в систему и распределяется на нужды электроснабжения. Но если гелиосистема используется для отопления или горячего водоснабжения, то энергия при помощи маломощного насоса направляется в бак-аккумулятор.

В разное время суток и в разные сезоны уровень освещения меняется. Поэтому для обеспечения бесперебойной поставки энергии в дом солнечная батарея имеет целую систему. Ученые научились управлять таким микрофизическим явлением, как фотоэлектрический эффект. И хотя, на первый взгляд, принцип действия кажется технически сложным, в действительности, принцип действия и схема электрической цепи выглядят очень просто.

Основная задача всей системы заключается в том, чтобы преобразовать энергию солнца и выдать постоянный ток определенной величины.

Плюсы и минусы

Установить солнечные батареи в своем доме может каждый желающий.

К тому же они имеют множество преимуществ.

  • Энергоэффективность – в зависимости от своего вида солнечные батареи имеют разный показатель. Но в среднем КПД составляет от 14 до 30%.
  • Солнечные батареи особенно востребованы на дачных участках. И этому есть два разумных объяснения. Во-первых, дачные участки зачастую находятся вдали от централизованных источников энергоснабжения в районах с малоразвитой инфраструктурой. И во-вторых, преобразование солнечных лучей в энергию особенно актуально именно в разгар дачного сезона – летом.
  • При необходимости мини-электростанцию можно дополнять новыми солнечными батареями для увеличения мощности.
  • Экономия – для южных регионов страны использование солнечной батареи для горячего водоснабжения позволяет сэкономить до 60% энергии в среднем за год: 30% зимой и 100% летом.
  • Подобные системы актуальны не только для частного использования, например, для дома, но и для предприятий, образовательных и медицинских учреждений. В производственном цехе солнечную батарею можно использовать в качестве дополнительного источника тепла для центрального отопления зимой, а летом – для подачи технологической горячей воды.
  • Выгода – заплатить за оборудование необходимо только один раз, впоследствии система не требует никаких вложений и обслуживания.
  • Экологический источник энергии – особенно важный аспект в планетарном плане, потому что запасы энергоносителей на Земле не безграничны.
  • Надежность – в данном случае многое зависит от выбранной модели и правильности установки.

Несмотря на множество плюсов, солнечные батареи имеют один весомы недостаток: их разумнее использовать в регионах с малым числом пасмурных дней в году, а таких на территории России очень ограниченное количество.

Стоит отметить, что система окупается через несколько лет и позволяет владельцу в будущем экономить колоссальные деньги. К примеру исходя из сегодняшних тарифов на электричество и дизель, можно с уверенностью сказать, гелиосистема окупится за 3-4 года в частном загородном коттедже для семьи из 5-7 человек. А при переходе с газа – окупаемость составит до 8-10 лет.

Виды

Сегодня различные виды солнечных батарей набирают все большую популярность. На первый взгляд, может показаться, что все солнечные модули одинаковые: большое количество отдельных маленьких фотоэлементов соединены между собой и закрыты прозрачной пленкой. Но, в действительности, все модули отличаются по мощности, конструкции и размерам. И на данный момент производители поделили гелиосистемы на два основных типа: кремниевые и пленочные.

Для бытовых целей устанавливаются солнечные батареи с фотоэлементами из кремния. Они являются на рынке самыми популярными. Из которых можно также выделить три вида – это поликристаллические, монокристаллические, о них уже было рассказано более подробно в статье, и аморфные, на которых остановимся подробнее.

Аморфные – изготавливаются также на основе кремния, но, кроме того, имеют также и гибкую эластичную структуру. Но производятся не из кристаллов кремния, а из силана – другое название кремневодород. Из особенностей аморфных модулей можно отметить отличную эффективность даже при пасмурной погоде и возможность повторять любую поверхность. Но КПД значительно ниже – всего 5%.

Второй тип солнечных панелей – пленочные, вырабатывается на основе нескольких веществ.

  • Кадмий – такие панели были разработаны еще в 70-х годах прошлого столетия и использовались в космосе. Но на сегодняшний день кадмий применяется также и при производстве промышленных и бытовых солнечных электростанций.
  • Модули на основе полупроводника CIGS – разработаны из селенида меди, индия и представляют собой пленочные панели. Индий также широко используется при производстве жидкокристаллических мониторов.
  • Полимер – также используется при производстве солнечных пленочных модулей. Толщина одной панели около 100 нм, но КПД остается на уровне 5%. Но из плюсов можно отметить, что такие системы имеют доступную цену и не выделяют вредные вещества в атмосферу.

Но также на сегодняшний день на рынке представлены менее громоздкие переносные модели. Они специально разработаны для использования во время активного отдыха. Зачастую такие солнечные батареи используются для подзарядки портативных устройств: небольших гаджетов, мобильных телефонов, фотоаппаратов и видеокамер.

Портативные модули делятся на четыре вида.

  • Маломощные – дают минимальный заряд, которого хватает для подзарядки мобильного телефона.
  • Гибкие – могут сворачиваться в рулон и имеют небольшой вес, благодаря этому и обусловлена большая популярность среди туристов и путешественников.
  • Закрепленные на подложке – имеют значительно больший вес, примерно 7-10 кг и, соответственно, дают больше энергии. Такие модули специально разработаны для использования в дальних автомобильных поездках, а также могут использоваться для частичного автономного снабжения энергией загородного домика.
  • Универсальные – незаменимы в пешем туризме, устройство имеет несколько переходников для одновременного заряда различных устройств, вес может достигать 1,5 кг.

Эффективность работы зимой

Для гелиосистемы морозная погода не играет роли. Главным здесь является количество ясных световых дней. И, к примеру, если использовать солнечную батарею для горячего водоснабжения, даже в зимний период тридцатиградусных морозов можно стабильно иметь в баке воду температурой 40°C – 50°C.

В регионах с резко континентальным климатом и суровой зимой отказаться от центрального отопления не получится. Но можно дополнить систему баками косвенного нагрева, которые позволяют совмещать различные источники тепла с возможностью включения в работу энергии солнца автоматически и по мере необходимости.

А также можно использовать гелиосистему для поддержки отопления в системе «теплый пол». При этом для 100 квадратных метров пола необходимо примерно 8 коллекторов. Но в летнее время такая большая система будет избыточной, разве что можно использовать ее для поддержания температуры в бассейне или сауне.

В зимний период разумнее использовать накопленную за лето энергию. В данном случае необходимо будет дополнительно установить аккумулятор для накопления электрического заряда.

Его роль в системе вполне понятна – аккумулятор позволит запастись электричеством солнечного модуля. И тогда можно будет использовать солнечную энергию в качестве электричества.

Как выбрать?

Установка гелиосистемы на собственном участке обойдется в приличную сумму. Перед тем как приступать к установке солнечной батареи, необходимо определиться с требующейся мощностью для всех приборов. И в первую очередь необходимо вычислить оптимальную пиковую нагрузку в киловаттах и рациональное условно среднее потребление энергии в киловатт/часах для обеспечения нужд дома или участка.

Для рационального использования солнечного электричества необходимо определить:

  • пиковую нагрузку – для ее определения необходимо сложить мощность всех приборов, включенных одновременно;
  • максимум потребляемой мощности – параметр, необходимый для определения категории приборов, которые должны работать в одно время;
  • суточное потребление – определяется умножением индивидуальной мощности отдельно взятого прибора на время, в течение которого он работал;
  • среднесуточное потребление – определяется путем сложения расхода энергии всех электроприборов за одни сутки.

Все эти данные необходимы для комплектации и стабильной последующей работы солнечной батареи. Полученная информация позволит подобрать более подходящие параметры аккумуляторного блока – дорогостоящего элемента солнечной системы.

Для проведения всех расчетов понадобится лист в клетку или, если вы предпочитаете работать на компьютере, то удобнее всего будет использовать файл Excel. Подготовьте шаблон таблицы с 29-ю колонками.

Укажите названия граф по порядку.

  • Название электроприбора, бытовой техники или инструмента – специалисты рекомендуют начинать описывать энергопотребителей с прихожей, а затем двигаться вкруговую по часовой или против часовой стрелки. Если дом имеет более одного этажа, то отправной точкой всех последующих уровней служит лестница. А также укажите уличные электроприборы.
  • Индивидуальная потребляемая мощность.
  • Время суток начиная от 00 и до 23 часов, то есть для этого вам понадобится 24 колонки. В колонках со временем необходимо будет указать два числа в виде дроби: продолжительность работы в течение конкретного часа/ индивидуальную потребляемую мощность.
  • В 27 колонке укажите суммарное время работы электроприбора за сутки.
  • Для 28 колонки необходимо помножить между собой данные из 27 колонки на индивидуально потребляемую мощность.
  • После заполнения таблицы вычисляется итоговая нагрузка каждого прибора на протяжении каждого часа – полученные данные вводятся в 29 колонку.

После заполнения последней колонки определяется среднесуточное потребления. Для этого все данные в последней колонке суммируют. Но в данном расчете не учитывается потребление всей системы гелиоколлектора. Для вычисления этих данных необходимо учитывать вспомогательный коэффициент при итоговых расчетах.

Такой тщательный и кропотливый подсчет позволит получить развернутую спецификацию энергопотребителей с учетом часовых нагрузок. Поскольку солнечная энергия очень дорогая, ее расход необходимо минимизировать и рационально использовать для питания всех приборов. К примеру, если гелиоколлектор будет использоваться в качестве резервного питания дома, то полученные данные позволят исключить энергоемкие приборы от сети до окончательного восстановления основного электроснабжения.

Для постоянного снабжения дома энергией от солнечной батареи при расчетах часовые нагрузки выдвигаются вперед. Потребление электроэнергии необходимо настроить таким образом, чтобы исключить аварийные ситуации при работе системы и выровнять максимальные нагрузки.

В таком случае все максимальные нагрузки должны совпадать с максимальной активностью солнца, то есть попадать на светлое время суток.

На данном графике наглядно показано, как рационально использовать энергию солнца в доме. Первоначальный график показывает, что нагрузка распределялась в течение суток хаотично: среднесуточная почасовая составляла 750 Вт, а показатель потребления – 18 кВт в час. После точных расчетов и грамотного планирования удалось снизить показатель суточного потребления до 12 кВт/час, а среднесуточную почасовую нагрузку до 500 Вт. Данный вариант распределения энергии также подходит и для резервного питания.

Сфера применения

Солнечные батареи являются наиболее выдающимся достижением в области альтернативной энергии. Они выполняют важнейшую функцию для энергосбережения и сохранения благ цивилизации. В летний период на даче солнечные батареи могут использоваться для обеспечения энергией электроприборов и бытовой техники, системы отопления или для горячего водоснабжения.

Туристы и путешественники, как правило, выбирают переносные солнечные батареи для зарядки портативных устройств. Они незаменимы в местах, где отсутствует электропитание.

Подобные устройства можно использовать также и для энергоснабжения квартиры. И если окна вашей квартиры выходят на солнечную сторону, вы можете смело установить солнечные батареи на балконе или фасаде дома, только предварительно необходимо будет получить разрешение управляющей компании или ТСЖ.

Схема подключения

Солнечные батареи можно разместить на крыше дома, неважно, скатной или плоской, а также на балконе, фасаде или даже во дворе. Но также необходимо будет выделить место на чердаке или в подвале для всей остальной системы.

Необходимо соблюдать основные рекомендации специалистов при установке солнечной батареи.

  • Внимательно рассмотрите все элементы солнечной системы перед покупкой на отсутствие повреждений и дефектов. Во время перевозки сохраняйте заводскую упаковку комплекта, чтобы не допустить нарушения целостности экрана.
  • Основные элементы контроля и регулировки солнечных батарей занимают минимум места. Как правило, необходимый минимум включает в себя инвертор, контроллер и АКБ. А также если позволяет климат региона и технические особенности участка, то устройства управления и контроля можно установить на улице. Но лучше для всей системы мини-электростанции выбрать отапливаемое сухое помещение, потому что при снижении окружающей температуры воздуха до -5?C емкость батареи уменьшается вдвое.
  • Солнечные модули, контроллеры и инверторы выпускаются под напряжением 12, 24 и 48 вольт. Большое напряжение позволяет использовать провода с меньшим сечением. Но чем меньше напряжение, к примеру, при 12 В проще заменить вышедшие из строя аккумуляторы. При работе с 24 вольтами понадобится заменять аккумуляторы попарно. А при замене аккумулятора 48 вольт понадобится 4 батареи на одной ветке, что, в свою очередь, опасно и может привести к поражению электрическим током.
  • Для системы солнечной батареи необходимо использовать специальные аккумуляторы с меткой Solar. В идеале все аккумуляторы должны быть от одного производителя и из одной партии.
  • Количество фотоэлементов в одном модуле должно быть от 36 до 72 штук – это оптимальное количество для получения заявленного тока. Не стоит устанавливать сдвоенные модули с количеством фотоэлементов от 72 до 144. Во-первых, их проблематично транспортировать. А во-вторых, они первыми выходят из строя при сильных морозах.
  • Большие модули должны иметь усиленный корпус и дополнительную защиту в виде стекла. Поскольку модули устанавливаются на крыше, на них оказываются большие нагрузки в виде осадков и ветра.
  • Собирать комплект солнечной батарее необходимо на открытой площадке или в просторном помещении.
  • Для установки солнечной батареи на участке необходимо выбрать хорошо освещенное открытое место, на котором не появляется тень от рядом стоящих зданий или деревьев. Отлично для этого подойдет крыша дома или любой другой постройки.
  • Угол наклона солнечных модулей играет большую роль при получении энергии. Поток энергии пропорционален положению солнца. Поэтому стоит заранее предусмотреть возможность изменения угла наклона для крепления при смене сезона, когда положение солнца и направление лучей меняется.

Изготовление в домашних условиях

Комплексная гелиосистема потребует немалого вложения средств. Но все потраченные деньги вернутся в будущем. Срок окупаемости в зависимости от количества модулей и способов использования солнечной энергии будет разниться. Но все же можно уменьшить первоначальные расходы не за счет потери качества, а за счет разумного подхода к выбору компонентов солнечной батареи.

Если вы неограничены в площади установки солнечных модулей, и в вашем распоряжении есть приличное пространство, то на 100 кв. м вы можете установить поликристаллические солнечные батареи. Это позволит сэкономить немалую сумму в семейном бюджете.

Не старайтесь покрыть полностью крышу солнечными батареями. Для начала установите пару модулей и подключите к ним ту технику, которая работает от постоянного напряжения. Нарастить мощность и увеличить количество модулей можно всегда со временем.

Если вы ограничены в бюджете, то можете отказаться от установки контроллера – это вспомогательный элемент, который необходим для отслеживания уровня заряда батареи. Вместо него, можно дополнительно подсоединить к системе еще один аккумулятор – это позволит избежать перезаряда и увеличит емкость системы. А для контроля заряда можно использовать обычные автомобильные часы, которыми можно измерять напряжение, да и стоят они в разы дешевле.

И один важный совет, замените все лампы накаливания на современные. В идеале использовать светодиодные – у них гораздо меньшее потребление электроэнергии и работают они от 12 В.

Популярные производители и отзывы

При выборе солнечной батареи для дома следует ориентироваться не только на соотношение цена – качество, но и на бренд. Необходимо абсолютно доверять производителю в этом важном вопросе. А чтобы удостовериться в качестве продукции, стоит ознакомиться с техническим паспортом и отзывами.

Зачастую на рынке можно встретить трубчатый вакуумный гелиоколлектор. Такие панели производятся в основном в Китае и теоретически имеют более высокий КПД. Но в зимнее время года на таких изделиях образуется наледь и на поверхности налипает снег. Слой осадков не пропускает солнечные лучи, а жарким летним днем такая система может «закипеть», если ее вовремя не накрыть для защиты от перегрева.

Рассмотрим самые популярные на рынке солнечные батареи.

Sharp

Sharp – бренд японской корпорации, широко известный в сфере производства мощных солнечных батарей. Выпускаемая продукция подвергается тщательным исследованиям и испытаниям. Солнечные модули имеют три слоя, а КПД составляет от 37,9% до 44,4%.

IES

IES – производится в Испании. Главной особенностью продукции считается два слоя модуля и КПД в пределах 32%, что в конечном счете отображается на стоимости. Солнечные панели испанского бренда значительно дешевле японских аналогов, но все же остаются весьма дорогостоящими для использования в частных домах.

Amonix

Amonix – также находится в числе лидеров по производству солнечных батарей для промышленного использования. Эффективность выпускаемой продукции составляет 36%.

Sun Power

Sun Power – солнечные панели американского бренда также входят в рейтинг эффективных систем. КПД популярных моделей составляет 21%.

Телеком-СТВ

«Телеком-СТВ» – панели российского производства (г. Зеленоград) также занимают лидирующие позиции среди производителей. Ассортимент выпускаемой продукции очень широкий. Компания предлагает монокристаллические батареи от 18 до 270 Вт, мультикристаллические – от 5 до 250 Вт, для морского применения – от 16 до 215 Вт, и складные – от 120 до 180 Вт. Эффективность солнечных модулей составляет 20-21%, но при этом стоимость батарей ниже на 30% по сравнению с импортными брендами.

Это лишь малая часть известных производителей солнечных батарей. Но не стоит сбрасывать со счетов и другие отечественные бренды. Так, к примеру, компания Hevel (Чувашия, Россия) выпускает микроморфные тонкопленочные батареи. И как показали исследования, улучшенная панель компании эффективнее улавливает лучи рассеянной энергии. И, что немаловажно, солнечные батареи отечественного производителя имеют привлекательный внешний вид и могут устанавливаться не только на крыше, но и на фасаде здания.

Не рассматривайте для установки дешевые сдвоенные солнечные модули с большим количеством фотоэлементов. Как показывает практика, во время аномальных морозов, которые систематически ударяют по многим регионам страны, именно такие панели первыми выходят из строя. Все дело в том, что тонкая прозрачная пленка, натянутая на поверхность модуля, сжимается на холоде и от большого натяжения отслаивается и рвется. Отчего производительность солнечной батареи падает, что может привезти к скорому выходу из строя.

При выборе подходящей системы необходимо также обратить внимание на то, что мощность гелиосистемы со временем снижается на 10%.

Также сократить ресурс панелей могут:

  • поврежденная пленка на поверхности модуля;
  • замутнение пленки;
  • деформация поверхности.

Не так давно ученые пришли к выводу и доказали возможность запасания тепла в грунте. Что открывает колоссальные перспективы для альтернативной энергии. Избытки летнего тепла можно запасать под землей в грунтовых или водяных аккумуляторах тепла, расположенных на глубине от 2 до 35 метров, и расходовать энергию зимой в качестве отопления или электричества.

Советы по поводу солнечных батарей — в следующем видео.

Прозрачные солнечные панели позволяют вырастить хороший урожай

Прозрачные солнечные панели – многообещающее изобретение, которое позволит широко использовать энергию солнца. В отличие от обычных панелей, они не загромождают пространство и не создают лишней тени, их можно установить в окна и наслаждаться солнечным светом, пока батареи преобразуют излучение светила в электроэнергию.

Тонкий органический полимер, из которого сделаны такие батареи, пропускает свет и делает материал гибким и удобным в применении. Органическую солнечную панель можно поместить на экран смартфона и даже на крышу теплицы. Именно перспектива выращивания урожаев прямо под солнечной батареей будоражила умы учёных, однако им нужно было убедиться в том, что такая автономная теплица не будет негативно влиять на всходы.

Дело в том, что солнечные панели не пропускают полный спектр солнечного света – они фильтруют волны определённой длины. Учёные не были уверены, как именно это сказывается на росте и развитии растений, поэтому провели исследование, которое было опубликовано в научном журнале Cell Reports Physical Science.

Исследователи в течение 30 дней выращивали латук (Lactuca sativa) в четырёх разных теплицах. Условия были одинаковыми в каждой, от температуры и полива до удобрений и уровня CO2. Отличался только свет, попадавший на посевы: над тремя теплицами установили экраны, фильтрующие разные участки спектра так, как это бы делали полупрозрачные солнечные панели разных типов. Растения в одной теплице (контрольной группе) росли под полным спектром белого света.

Учёные выделили ряд характеристик, по которым они оценивали полученный во всех четырёх случаях урожай. Они уделили особое внимание внешнему виду растений, который особенно важен для конечного потребителя, оценив количество листьев, их размер и вес каждого растения. Помимо этого, учёные замерили показатели пищевой ценности и здоровья растений.

«Мы не только не смогли обнаружить значимой разницы между контрольной и экспериментальной группами, мы также не увидели различий между разными фильтрами», – сообщает соавтор исследования Брендан О’Коннор (Brendan O’Connor) инженер из Университета Северной Каролины.

В дальнейшем исследователи планируют повторить эксперимент на ряде других растений, например, томатах. Они отмечают большой интерес местных фермеров к их проекту, поэтому стремятся предоставить больше доказательств эффективности прозрачных солнечных панелей и их безопасности для урожаев.

Напомним, ранее Вести.Ru писали о том, что учёные создали «умное» стекло, получающее энергию от ветра и осадков. Также мы рассказывали о солнечных батареях из бактерий, которые производят энергию даже в непогоду.

Изготовление солнечных панелей — начало фото рассказа

Электрификация домика в поселении, эксперименты с самостоятельным изготовлением солнечных панелей. Интересный опыт этого человека показывает на сколько просто можно обеспечить себя электричеством. Забегая вперед могу сказать что конечно не все он правильно делал, но как говорится на ошибках учатся.

В Поселение Тополевое (оно же Благодать) Приморского края был приобретен домик, он был в хорошем состоянии и было решено его сначала обжить и наладить быт, ну и попутно начинать строить свой дом. На фото это нынешнее состояние дома, а в самом начале все было несколько иначе.
>
Первым делом конечно стоял вопрос с электричеством, ведь для городского жителя, да и для любого современного человека электричество это неотъемлемая часть жизни. Первое что показалось достойным вариантом это солнечные панели, но они очень дорогие. Но знакомые посоветовали что можно экономить если заказывать не готовые солнечные панели, а только элементы (ФЭМ) и из них самому собирать панели. Если посчитать действительно получается очень дёшево.

Поискав где по дешевле через интернет заказал по почте 6 комплектов. Вообще в планах на будущее планировалось иметь мощную солнечную электростанцию, поэтому сразу было заказано шесть комплектов для экспериментов, чтобы понять что и как и отработать самостоятельную сборку панелей. В одном комплекте 36 пластин + 2 запасные, на случай если в дороге повредятся или вдруг нечаянно сломаются. Мощность каждой панели из этих комплектов около 50 ватт.
>
После распаковки посылки в первой же пачке обнаружил пару битых пластин и парочку с небольшими сколами. Скорее всего в дороге пострадали, так как эти элементы очень хрупкие, примерно как яичная скорлупа, а толщина всего 0,2мм. Как элементы оказались в руках то захотелось немедленно опробовать их и посмотреть что получился. Первое что нашлось это старая оконная рама, в нее как раз помещался один набор элементов и было решено собирать первую панель из нее.

В инструкции написано что одна пластина выдает ток 3,5Ампер 0,5Вольт. Хотя по-моему в реале она дает 0.6 в, судя по замерам мультиметра. Где-то я слышал, что для заряда свинцового аккумулятора нужно напряжение выше чем он дает, например 14 вольт, поэтому решил что зарядка наверняка будет и от 30 пластин по 0,5Вольт, то есть 15 вольт.

Немного поразмыслив над тем как прикрепить элементы к стеклу было решено просто использовать скотч. Элементы разложил на стекло и зафиксировал небольшими кусочками скотча, а далее поклеил по швам цельными полосками. После чего оставалось спаять элементы. В посылке к каждому комплекту шол карандаш с флюсом для пайки и лента, которой соединяются все контакты пластин.

Да, кстати не нужно боятся тех пластин что без припаянных ленточек на лицевой стороне, ленточки хоть и долго, но пояются очень просто. Просто прикладываешь ленточку и прогреваешь, а тонкий слой олова на ленточке расплавляется и прилипает к контактам лицевой стороны. Вот такая получилась первая солнечная панель.
>
Тыльная сторона панели, видно как припаяны контакты.
>
Ну и вид спереди, ничего сложного вроде как получилось.
>
. На следующий день начались различные тесты этой панели. Первым делом измерил напряжение холостого хода, то-есть без нагрузки, оно составило 17,2 вольта. Потом попробовал подсоединить портативный телевизор на 12 вольт, тот заработал, при этом напряжение упало до 14 вольт.
>
На фото не очень видно, но на самом деле он показывает нормально, просто на улице ничего не видно на экране. Далее уже через инвертор 12/220Вольт я пробовал подключать к панели разную электронику. Если на небе солнышко то работал нетбук, но при малейшем облачке инвертор отключался и нетбук естественно тоже так-как его внутренняя батарейка была полностью разряжена.

А на следующий день я пробовал подключить музыкальный центр. На нем есть вход 12 вольт. В основном работал отлично, но когда становилось уже невыносимо пасмурно, то при громкости «на всю» начинал похрипывать и напряжение падало до 10 вольт. Одновременно центр и КПК от инвертора работать не хотели. Инвертор вырубался, но это все было в пасмурную погоду. Думаю что если мощность поднять в три раза, то,есть три панели подключить, то вся электроника прекрасно бы работала, ну а при солнце хватило бы и одной панели.

Я понял для себя, что надо систему рассчитывать именно под пасмурные дни, тогда проблем совсем не будет, Так как пасмурные дни есть всегда. Как показала практика, из 6-ти комплектов можно собрать 7 панелей, даже еще пластины останутся. Более подробно опишу в следующей статье, а пока нашел большое стекло на которое помещаются сразу пластины двух комплектов, буду думать как лучше сделать. Как приеду продолжу. Напишу позже об успехах или неудачах. + Более подробный фото-отчет.

Навигация по частям этого фото рассказа. - 1 - 2 - 3 - 4 - 5

Статьи написаны по материалам дневника >>источник

Солнечные панели: срок службы и гарантии

На солнечные панели даются две гарантии, два типа: 1) гарантия на продукт (от производственного брака), по-английски её называют product warranty и 2) гарантия на мощность (performance warranty).

Первый тип гарантии характерен для любого продукта/товара, который мы приобретаем. Это гарантия от поломки вследствие производственного брака. Для солнечных панелей он выше, чем стандартные сроки гарантии на многие другие товары. Обычный, наиболее распространённый срок гарантии от брака для солнечных модулей: 10-12 лет. Бывают исключения, например, американская SunPower дает 25-летнюю гарантию от поломок.

Наиболее распространенный срок performance warranty (гарантии на мощность) для солнечных панелей: 25 лет при сохранении 80% исходной мощности. Это не означает, что срок службы солнечной панели через 25 лет заканчивается. Нет, она может проработать и 40, и 50 лет, просто дальнейшая деградация модуля никак не описывается производителем и не связывается с какими-либо обязательствами с его стороны.

Иногда дают «ступенчатую» гарантию: 90% исходной мощности – первые 10 лет, 80% — еще пятнадцать. Более современной и распространённой сегодня является линейная гарантия. То есть гарантируется постепенная деградация оборудования (см. фото):

Долговечность – важный фактор экономики солнечной энергетики.

Чем дольше работает солнечная панель, тем больше электроэнергии она выработает за срок своей службы, тем дешевле получится каждый произведенный ей киловатт-час.

Поэтому производители стремятся увеличить срок службы модулей, и сегодня все чаще появляются примеры 30-летних гарантий на мощность.

Например, журнал PV-Europe сообщает, что немецкая компания Solarwatt дает на свои модули гарантию 30 лет с сохранением 87,5% исходной мощности. Более того, производственная гарантия расширена также на 30 лет (уникальный пример).

Я предполагаю, что в течение ближайших лет большинство производителей перейдет на 30-летнюю гарантию мощности.

Если 30 лет для солнечных панелей станет стандартом, это повлечет влечет за собой корректировки в калькуляции стоимости производства энергии (LCOE). Сегодня для расчетов, как правило, берется срок службы объекта в 20 или 25 лет. Если 25 поменять на 30 лет, это приводит к снижению LCOE для объекта солнечной генерации на несколько процентов (до 10%).

Разработана технология добычи воды из воздуха с помощью солнечных панелей

Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) в своём последнем докладе пришла к однозначному выводу: изменение климата привело к снижению продовольственной безопасности и доступа к воде для миллионов людей, и ситуация будет продолжать ухудшаться без решительных действий с нашей стороны. По оценкам ООН, к 2050 году каждый четвертый человек будет испытывать нехватку воды, как для питья, так и для сельского хозяйства.

С другой стороны, по данным ООН, стабильное снабжение водой, возобновляемой энергией и продовольствием — три самых необходимых фактора для жизни сегодня. Однако часть населения планеты по-прежнему не имеет доступа к чистой воде и экологически чистым источникам энергии.

В этих условиях исследователи создали солнечную систему, которая эффективно выращивает растения, используя воду из воздуха и вырабатывая при этом электроэнергию. Эта инновация обеспечивает доступную и устойчивую стратегию повышения продовольственной и водной безопасности во многих засушливых и полузасушливых регионах мира. По оценкам, во всем мире 2 миллиарда человек не имеют доступа к чистой воде, 800 миллионов не имеют доступа к электричеству, а 700 миллионов живут в условиях постоянного голода. Именно поэтому в 2015 году Организация Объединенных Наций приняла 17 Целей устойчивого развития (ЦУР), также известных как Глобальные цели.

Все эти цели интегрированы, т.е. связаны друг с другом: вмешательство в одну область влияет на результаты в других. Не в последнюю очередь они направлены на искоренение бедности, защиту планеты и обеспечение того, чтобы к 2030 году все люди жили в мире и процветании.

Достижение ЦУР к этому времени будет во многом зависеть от того, как улучшить условия жизни миллиардов людей, большинство из которых живут в сельской местности, в Африке, Южной Азии и на Ближнем Востоке, с засушливым или полузасушливым климатом. С учетом этих целей и географического контекста (климат, районы, удаленные от крупных городов), децентрализованные и разумные по размерам подходы в настоящее время считаются наиболее подходящими для экономичного обеспечения электроэнергией и водой в этих сельских районах.

Ранее было отмечено, что сбор атмосферной воды с помощью солнечной энергии способен удовлетворить потребности в питьевой воде — 5 л в день на душу населения — более чем двух миллиардов человек во всем мире. В других исследованиях также говорится об использовании влажности окружающей среды для восстановления энергии, самодостаточного городского сельского хозяйства и автономных систем управления влажностью. Таким образом, использование атмосферной воды в качестве альтернативного водного ресурса представляется перспективным. Действительно, атмосфера постоянно сохраняет более 12 900 миллиардов тонн пресной питьевой воды. Эта вода постоянно пополняется в процессе круговорота воды.

Именно в этом направлении проводится настоящее исследование, опубликованное в журнале Cell Reports Physical Science, в котором сочетаются производство пресной воды, выработка электроэнергии и выращивание сельскохозяйственных культур. Для этого исследователи опираются на результаты нескольких своих предыдущих исследований тепла, выделяемого фотоэлектрическими панелями. С одной стороны, они продемонстрировали возможность получения пресной из морской воды, используя остаточное тепло от солнечной батареи, по принципу дистилляции. Другими словами, это тепло нагревает воду, которая, испаряясь, очищается от остатков солей системой дистилляции (фильтрации), связанной с панелью. В дополнение к этим первоначальным результатам они разработали методику охлаждения этих солнечных панелей. Для этого они использовали цикл адсорбции и десорбции атмосферного водяного пара благодаря материалу для восстановления воды (также называемому сорбентом). Последний представляет собой полиакриламидно-кальциевый гидрогель.

Отсюда и возникла идея авторов в этом новом исследовании предложить систему, объединяющую эти характеристики. Система состоит из: улавливания водяного пара из воздуха с помощью гидрогеля, обычно вечером или ночью; использования тепла от панели в течение дня для испарения атмосферной воды, уловленной снаружи гидрогеля, с целью охлаждения панели; сбора образовавшегося таким образом водяного пара для производства пресной воды и полива сельскохозяйственных культур.

Экспериментальное устройство, названное WEC2P, было построено из промышленных фотоэлектрических панелей. Задняя часть этих панелей была удалена и покрыта антикоррозийной обработкой, после чего был нанесен слой гидрогеля с самоклеящимися свойствами. Для усиления контакта между панелью и гидрогелем была применена пластина. Эти панели были наклонены под углом 22 градуса к земле и обращены на юг. С панелями был связан лоток для сбора воды.

Впоследствии исследователи использовали WEC2P для проведения испытания по выращиванию растений в Саудовской Аравии в течение двух недель в июне, когда температура была очень высокой. Они оросили 60 растений водяного шпината, используя только воду, собранную из воздуха.

Результаты оказались многообещающими: за время эксперимента солнечная панель выработала 1519 ватт-часов энергии. 57 из 60 семян водяного шпината проросли и уверенно выросли до 18 см. В течение двухнедельного эксперимента из гидрогеля было сконденсировано около 2 литров воды. Команда пришла к выводу, что гидрогель повышает эффективность солнечных фотоэлектрических панелей на 9% за счет поглощения тепла и снижения температуры панелей. Следующей целью является разработка более совершенного гидрогеля, способного поглощать больше атмосферной воды.

Конструкция WEC2P такова, что она предлагает два легко переключаемых режима: охлаждение фотоэлектрических панелей и производство водных культур, что обеспечивает большую гибкость в практическом применении.

Этот принцип работы системы основан на переменном характере условий окружающей среды в течение цикла «день-ночь». Когда влажность высокая, а температура низкая (ночью), адсорбция водяного пара облегчается. Когда влажность низкая, а температура высокая (днем), процесс испарения (и, следовательно, охлаждения панелей) происходит более активно.

Очевидно, что не все культуры возможны в пустынных регионах. Растения, которые «любят тепло», являются наиболее подходящими для производства. Пасленовые (томаты, перцы, баклажаны) и огуречные (огурцы, дыни, летние и зимние кабачки) — два семейства растений, которые процветают в жаркую погоду. Кукуруза и бобы также хорошо себя чувствуют в теплых регионах. Базилик — теплолюбивая трава, которая цветет даже в самое суровое лето в пустыне.

Быстроурожайные сорта могут превзойти культуры, которым требуется больше времени для созревания, особенно в высоких засушливых районах. Необходимы виды, которые могут выдерживать большие перепады температур между днем и ночью. Поэтому использование этого типа процесса должно быть основано на местном принципе: местное производство энергии, воды и растений, что позволяет избежать транспортировки углерода и энергии.

Ванг, один из соавторов исследования и профессор экологической науки и инженерии в Университете науки и технологии имени короля Абдаллы (KAUST), объясняет, что «обеспечение того, чтобы каждый человек на Земле имел доступ к чистой воде и недорогой чистой энергии, является частью целей устойчивого развития, установленных Организацией Объединенных Наций. Эти цели представляют собой дорожную карту к лучшему и устойчивому будущему для всех. Для достижения целей ООН во всех контекстах потребуются творческие способности, ноу-хау, технологии и финансовые ресурсы всего общества.

В частности, прекращение всех форм голода и недоедания к 2030 году означает поощрение устойчивых методов ведения сельского хозяйства, повышение уровня жизни и потенциала мелких фермеров, а также обеспечение равного доступа к земле, технологиям и рынкам. Кроме того, оно предполагает международное сотрудничество для обеспечения инвестиций в инфраструктуру и технологии, повышающие производительность сельского хозяйства. В заключение Ванг говорит:

«Я надеюсь, что наша конструкция может стать децентрализованной системой энерго- и водоснабжения для освещения домов и полива сельскохозяйственных культур».

Таким образом, устройство является эволюцией нынешней агрофотоэлектрической техники. Последняя заключается «всего лишь» в покрытии определенных сельскохозяйственных продуктов съемными и ориентируемыми фотоэлектрическими панелями, чтобы, с одной стороны, защитить урожай от плохой погоды, а с другой — производить солнечную энергию. Здесь цель тройная: сочетая создание воды с солнечными батареями, они позволяют производить дополнительную электроэнергию, пресную воду и выращивать урожай в засушливых регионах.

Система подходит для небольших децентрализованных ферм в отдаленных районах, таких как пустыни и морские острова. Она предлагает устойчивую и малозатратную стратегию повышения продовольственной и водной безопасности для людей, живущих в засушливых и полузасушливых регионах, ответственным и устойчивым образом.

фотографий солнечных панелей — БЕСПЛАТНЫЕ фотографии солнечных панелей Creative Commons

фотографии солнечных панелей — БЕСПЛАТНЫЕ фотографии солнечных панелей Creative Commons
фотоэлектрическая, фотоэлектрическая система, солнечная система
фотогальваническая система, солнечная энергия, солнечная энергия
солнечная система, крыша, выработка электроэнергии
иконки устойчивого развития, иконки, набор
солнечная энергия, солнечные панели, фотогальваника
альтернатива, синий, сотовый
возобновляемые источники энергии, окружающая среда
солнечная энергия, солнечная система, солнечная панель
солнечная, крыша, солнечная энергия
солнечная панель, солнце, электричество
солнечная батарея, солнечная панель, фотогальваническая
солнечные панели, отопление, возобновляемая энергия
солнечная энергия, солнечные батареи, солнечная энергия
солнечная система, крыша, выработка электроэнергии
солнечные панели, размещение, зеленая энергия
альтернатива, ячейка, чистая
человек, солнечная панель, крыша
панель, солнечная, мощность
фотогальваническая система, солнечная энергия, солнечная энергия
солнечная, панельная, городская

Попробуйте наши другие веб-сайты!

Раскадровка Это – Создавайте привлекательные раскадровки, графические органайзеры и инфографику!
Быстрая Рубрика — Легко создавайте и делитесь великолепными рубриками!
abcBABYart — Создайте собственное детское искусство


Посмотреть фотогалерею солнечных батарей | 1

1. POWERHOME SOLAR предлагает 12 месяцев на нас. Только новые клиенты. Требуется договор на покупку. Мин. скидка после установки составляет 2040 долларов США. Фактическая скидка зависит от системы и начальных 12 месяцев. платежей по кредиту (или, для нефинансируемых покупок, эквивалентную стоимость, как если бы использовалось финансирование). Вы по-прежнему несете ответственность за выплату ежемесячного кредита кредитору. Скидка не применяется к вашему кредиту нами. Разрешить 6-8 недель. после установки для обработки. Не комбинируется с другими предложениями.

2. В наличии.с одобр. кредит. Должен быть 18+ / домовладелец. Свяжитесь с нами для получения дополнительной информации.

3. Количество энергии, доступной от батареи во время отключения электроэнергии, ограничено в зависимости от подключенных нагрузок, использования клиентом и конфигурации батареи. Нет никаких гарантий, что солнечная система или аккумулятор всегда будут работать. Вы никогда не должны полагаться ни на питание системы жизнеобеспечения, ни на другие медицинские устройства.

4. Фактические результаты зависят от различных факторов. Результаты не гарантируются

5.Чтобы соответствовать требованиям, вы должны иметь обязательство по федеральному подоходному налогу, по крайней мере, равное сумме налогового кредита. Налоговые кредиты могут быть изменены/прекращены. Мы не даем никаких гарантий в отношении права на получение каких-либо налоговых льгот. Мы не консультируем по налогам. Обратитесь к своему личному налоговому консультанту, чтобы узнать о квалификационных требованиях

.

6. Могут применяться ограничения/исключения. Для получения полной информации см. копию ограниченной гарантии нашего установщика в договоре о покупке, а гарантии на продукт см. на веб-сайте указанного производителя.Дополнительные сведения доступны. по требованию.

7. На основании правильного использования и установки пакета энергоэффективности SMARTPWR360°™ («EEP»). Оценки EEP основаны на текущем потреблении «типичного» дома в США, в котором не используется ни один из компонентов энергоэффективности EEP. Компания создала типичный дом, используя базовые предположения, опубликованные программой ENERGY STAR® Агентства по охране окружающей среды. Мы говорим «до 25%», поскольку: (1) дома различаются; (2) дом может не обладать всеми (или некоторыми) характеристиками типичного дома; и (3) чтобы проиллюстрировать, что потенциальное сокращение будет зависеть от различных факторов.Эта оценка основана на общедоступных отраслевых данных и/или собственной информации каждого производителя и не проверяется и не проверяется нами независимо. Потребление, экономия и результаты EEP будут различаться и не гарантируются нами.

Краткая история солнечных панелей | Спонсор

Задолго до того, как 22 апреля 1970 года был отпразднован первый День Земли, повышая осведомленность об окружающей среде и поддерживая защиту окружающей среды, ученые делали первые открытия в области солнечной энергии. Все началось с Эдмона Беккереля, молодого физика, работавшего во Франции, который в 1839 году наблюдал и открыл фотогальванический эффект — процесс, который создает напряжение или электрический ток при воздействии света или лучистой энергии. Несколько десятилетий спустя работа физика вдохновила французского математика Огюстена Мушо. Он начал регистрировать патенты на двигатели на солнечной энергии в 1860-х годах. От Франции до США изобретатели были вдохновлены патентами математика и подали заявки на патенты на устройства на солнечной энергии еще в 1888 году.

Чарльз Фриттс установил первые солнечные батареи на крыше Нью-Йорка в 1884 году. Предоставлено Джоном Перлином

Возьмите свет Вернитесь в 1883 год, когда изобретатель из Нью-Йорка Чарльз Фриттс создал первый солнечный элемент, покрыв селен тонким слоем золота. Фриттс сообщил, что селеновый модуль производит ток, «который является непрерывным, постоянным и значительной силы». Эта ячейка достигла коэффициента преобразования энергии от 1 до 2 процентов. Большинство современных солнечных элементов работают с эффективностью от 15 до 20 процентов.Итак, Фриттс создал солнечную батарею с малой ударной нагрузкой, но, тем не менее, это было началом инноваций в области фотоэлектрических солнечных панелей в Америке. Названный в честь итальянского физика, химика и пионера электричества и энергии Алессандро Вольта, фотогальваника является более техническим термином для преобразования световой энергии в электричество и используется взаимозаменяемо с термином фотоэлектрический.

Эдвард Уэстон «Устройство для использования солнечной лучистой энергии», запатентованное 4 сентября 1888 года. НАС.Патент 389 124

Всего несколько лет спустя, в 1888 году, изобретатель Эдвард Уэстон получил два патента на солнечные элементы — патент США 389 124 и патент США 389 425. Для обоих патентов Уэстон предложил «преобразовывать лучистую энергию, полученную от солнца, в электрическую энергию или через электрическую энергию в механическую». Энергия света фокусируется через линзу (f) на солнечный элемент (а), «термобатарею (электронное устройство, преобразующее тепловую энергию в электрическую), состоящую из стержней из разнородных металлов.Свет нагревает солнечный элемент и вызывает высвобождение электронов и протекание тока. В этом случае свет создает тепло, которое создает электричество; это полная противоположность тому, как работает лампа накаливания, преобразуя электричество в тепло, которое затем генерирует свет.

В том же году русский ученый по имени Александр Столетов создал первый солнечный элемент на основе фотоэффекта, когда свет падает на материал и высвобождаются электроны.Этот эффект впервые наблюдал немецкий физик Генрих Герц. В своих исследованиях Герц обнаружил, что ультрафиолетовый свет создает больше энергии, чем видимый свет. Сегодня солнечные элементы используют фотоэлектрический эффект для преобразования солнечного света в энергию. В 1894 году американский изобретатель Мелвин Севери получил патенты 527 377 на «Устройство для монтажа и эксплуатации термобатарей» и 527 379 на «Устройство для выработки электроэнергии с помощью солнечного тепла». Оба патента были, по сути, ранними солнечными элементами, основанными на открытии фотоэлектрического эффекта.Первый генерировал «электричество за счет воздействия солнечного тепла на термобатарею» и мог производить постоянный электрический ток во время дневного и годового движения солнца, что освобождало любого от необходимости перемещать термобатарею в соответствии с движениями солнца. Второй патент Севери от 1889 года также предназначался для использования тепловой энергии солнца для производства электричества для тепла, света и электроэнергии. «Термосы», или солнечные элементы, как мы их сегодня называем, устанавливались на штативе, позволяющем управлять ими в вертикальном направлении, а также на поворотном столе, что позволяло им перемещаться в горизонтальной плоскости.«Благодаря сочетанию этих двух движений лицевую сторону ворса можно держать напротив солнца в любое время дня и в любое время года», — говорится в патенте.

«Устройство для выработки электроэнергии с помощью солнечного тепла» Мелвина Л. Севери, запатентованное 9 октября 1894 г. У.С. Патент 527,379 «Устройство для монтажа и эксплуатации термобатарей» Мелвина Л. Севери, запатентованное 9 октября 1894 г. Патент США 527 377.

Почти десятилетие спустя американский изобретатель Гарри Рейган получил патенты на тепловые батареи, представляющие собой конструкции, используемые для хранения и выделения тепловой энергии.Тепловая батарея была изобретена для сбора и хранения тепла за счет большой массы, которая может нагреваться и выделять энергию. Он хранит не электроэнергию, а «тепло», однако сегодня системы используют эту технологию для выработки электроэнергии с помощью обычных турбин. В 1897 году Рейган получил патент США 588 177 на «применение солнечного тепла в термобатареях». В формуле патента Рейган сказал, что его изобретение включает «новую конструкцию устройства, в котором солнечные лучи используются для нагрева термобатарей, цель которых состоит в том, чтобы сосредоточить солнечные лучи в фокусе и иметь один набор соединений термобатареи в фокусе лучей, в то время как подходящие охлаждающие устройства применяются к другим узлам указанной термобатареи.Его изобретение было средством для сбора, хранения и распределения солнечного тепла по мере необходимости.

Х.К. Рейган «Применение солнечного тепла к термобатареям», запатентованный 17 августа 1897 г. Патент США 588,177

В 1913 году Уильям Кобленц из Вашингтона, округ Колумбия, получил патент 1 077 219 на «тепловой генератор», который представлял собой устройство, использующее световые лучи «для генерирования электрического тока такой мощности, чтобы выполнять полезную работу». Он также хотел, чтобы изобретение имело дешевую и прочную конструкцию.Хотя этот патент не относился к солнечной панели, эти тепловые генераторы были изобретены либо для преобразования тепла непосредственно в электричество, либо для преобразования этой энергии в энергию для нагрева и охлаждения.

В.В. «Тепловой генератор» Кобленца, запатентованный 28 октября 1913 г. Патент США 1 077 219.

К 1950-м годам в Bell Laboratories поняли, что полупроводниковые материалы, такие как кремний, более эффективны, чем селен. Им удалось создать солнечный элемент с эффективностью 6 процентов.Изобретатели Дэрил Чапин, Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон (внесены в Национальный зал славы изобретателей в 2008 году) были авторами кремниевых солнечных элементов в Bell Labs. Хотя он считался первым практичным устройством для преобразования солнечной энергии в электричество, для большинства людей он все еще был непомерно дорогим. Кремниевые солнечные элементы дороги в производстве, а когда вы объединяете несколько элементов для создания солнечной панели, для населения это становится еще дороже. Университету Делавэра приписывают создание одного из первых солнечных зданий «Solar One» в 1973 году.Строительство работало на сочетании солнечной тепловой и солнечной фотоэлектрической энергии. В здании не использовались солнечные батареи; вместо этого солнечная батарея была встроена в крышу.

«Устройство для преобразования солнечной энергии» Д. М. Чапина и др., запатентованное 5 февраля 1957 г. Патент США 2 780 765.

Примерно в это же время в 1970-х годах в США разразился энергетический кризис. Конгресс принял Закон об исследованиях, разработках и демонстрации солнечной энергии 1974 года, и федеральное правительство было более чем когда-либо привержено тому, чтобы «сделать солнечную энергию жизнеспособной и доступной и продавать ее населению».После дебюта «Solar One» люди увидели солнечную энергию как вариант для своих домов. Рост замедлился в 1980-х годах из-за падения цен на традиционные энергоносители. Но в следующие десятилетия федеральное правительство больше занималось исследованиями и разработками в области солнечной энергетики, создавая гранты и налоговые льготы для тех, кто использовал солнечные системы. По данным Ассоциации предприятий солнечной энергетики, за последние 10 лет в Соединенных Штатах среднегодовой темп роста солнечной энергетики составлял 50 процентов, в основном благодаря налоговой льготе на инвестиции в солнечную энергию, введенной в действие в 2006 году.Установка солнечной энергии теперь также более доступна из-за того, что стоимость установки упала более чем на 70 процентов за последнее десятилетие.

Тем не менее, по крайней мере до недавнего времени, средства для поиска жизнеспособного и доступного энергетического решения были более важными, чем создание эстетически привлекательных или красивых солнечных элементов. Традиционные солнечные панели на американских крышах не совсем тонкие и приятные для глаз. Иногда они были бельмом на глазу для соседей и, конечно, болью для ассоциаций домовладельцев, но польза для окружающей среды существенна.Итак, где баланс? Сегодня компании стремятся к более привлекательным и передовым солнечным технологиям, таким как фотоэлектрические системы для зданий (BAPV). Этот тип незаметного солнечного элемента интегрируется в существующую черепицу или керамические и стеклянные фасады зданий.

Solus Engineering, Enpulz, Guardian Industries Corporation, SolarCity Corporation, United Solar Systems и Tesla (после их слияния с SolarCity) получили патенты на солнечные элементы, которые гораздо более незаметны, чем традиционная солнечная панель.Все патенты включают фотогальванические системы, которые преобразуют свет в электричество с использованием полупроводниковых материалов, таких как кремний. Солнечные панели и солнечные технологии прошли долгий путь, поэтому эти запатентованные изобретения являются доказательством того, что технология все еще повышает свою эффективность и эстетику .

«Фотоэлектрическая система черепицы» United Solar Systems Corporation, запатентованная 1 августа 1995 г. У.С. Патент 5 437 735 Компания Guardian Industries Corp. запатентовала «Фотоэлектрические системы и связанные с ними компоненты, используемые в зданиях и/или связанные с ними методы» 1 декабря 2015 г. Патент США 9 202 958. «Создание интегрированной фотоэлектрической системы для черепичных крыш» корпорации SolarCity, запатентованная 8 мая 2018 г. У.С. Патент 9 966 898. «Световая индикаторная / декоративная система на солнечных панелях» компании Enpulz, LLC, запатентованная 1 января 2013 г. Патент США 8 344 240

Как работают солнечные панели и солнечная электроэнергия | ОРЕЛ

Солнечное электричество окружает нас повсюду: от карманных калькуляторов на солнечных батареях до спутников и домов, обвязанных солнечными панелями.Вы даже можете увидеть солнечную энергию по пути на работу, когда будете проезжать аварийные дорожные знаки, телефонные будки или измерители скорости. Этот «бесплатный» источник энергии в значительной степени покрывает наши современные потребности в электроэнергии и в конечном итоге прокладывает путь к устойчивой энергетике будущего. Но будет ли этого достаточно, чтобы освободиться от ископаемого топлива? Время покажет. Так как же именно работает солнечное электричество и солнечные батареи? Там нет выключателя, иногда нет даже аккумулятора для зарядки. Мы просто зависим от этого гигантского газового шара в небе (Солнца), который обеспечивает наши потребности в этом мире.

Солнечное электричество в действии

Солнечное электричество на самом деле не является чем-то новым. В 1839 году французский ученый Александр Эдмон Беккерель обнаружил, что такой материал, как металл, испускает электрические искры при воздействии солнечного света. Этот эксперимент проложил путь для исследований других ученых, таких как Альберт Эйнштейн, который позже назвал этот процесс фотоэлектрическим эффектом .

Фотоэлектрический эффект возникает, когда электроны выбрасываются с поверхности твердого материала, такого как металл, под воздействием солнечного света.Любой материал, который реагирует на такое воздействие солнечного света, считается фотоэмиссионным материалом , а выбрасываемые электроны называются фотоэлектронами . Не позволяйте терминам сбить вас с толку; на самом деле нет ничего отличного от электрона, испускаемого под воздействием солнечного света, от электрона, который летает по цепи от батареи или прямого источника питания. Все они выполняют одну и ту же работу и остаются одинаковыми по массе, заряду, вращению и магнитному движению.

Электроны выбрасываются из материала в зависимости от типа электромагнитного излучения.(Источник изображения)

С фотоэлектрическим эффектом, закрепленным Эйнштейном, мир вскоре обратился к созданию первых фотогальванических (PV) элементов из селена. Это было только начало, и в 1950-х годах Bell Labs разработала фотоэлектрическую ячейку, достойную удовлетворить сегодняшние потребности в солнечной энергии с помощью кремния. Этот первый кремниевый фотоэлемент достиг колоссального четырехпроцентного преобразования энергии, но в то время изобретение было новаторским.

Реклама Bell labs 1954 года!

С 1950-х годов кремниевые фотоэлементы продолжали повышать свою эффективность, но то, как они функционируют в системе солнечных панелей, в основном остается прежним.Вот процесс с точки зрения высокого уровня, прежде чем мы углубимся в детали

  • Частицы света, называемые фотонами, сначала проникают в фотоэлектрическую ячейку, которая передает свою энергию потерянным электронам. Эти электроны сбиваются со своей орбиты в атоме кремния.
  • Затем свободные электроны ищут путь наименьшего сопротивления к пустой дырке в другом атоме, но, как и при всех других методах манипулирования электронами, мы сначала заставляем их выполнять некоторую работу, путешествуя по цепи.
  • Когда электроны покидают солнечный элемент в виде электрического тока, они проходят через проводной канал и попадают в инвертор. Это устройство преобразует то, что в настоящее время является стабильным постоянным током (DC), в переменный ток (AC), который может обеспечить электроэнергией дома, предприятия, электростанции и даже электрическую сеть.
  • Как только наши устройства и инфраструктура будут запитаны, электрический ток будет течь обратно по цепи солнечной системы, находя покой в ​​твердом контактном слое в нижней части солнечной панели, чтобы создать замкнутый контур.

Здесь мы видим типичную солнечную панель , установленную в жилом доме. (Источник изображения)

Внутреннее устройство солнечных батарей

Каждая солнечная панель состоит из набора отдельных солнечных элементов , и именно внутри этих элементов происходит вся магия преобразования световой энергии в солнечное электричество. Солнечные элементы обычно состоят из двух внутренних слоев полупроводниковых пластин. Возможно, вы слышали об этом материале, так как в настоящее время они используются в микропроцессоре вашего компьютера и интегральных схемах (ИС), которые вы можете использовать на печатных платах (PCB).

По сравнению с другими материалами, которые позволяют электричеству легко проходить через них (проводники) или вообще не пропускают через себя (индукторы), кремний находится где-то посередине, не проводя полностью электричество и не изолируя его. Отсюда и название полупроводник.

Кристалл кремния в его первоначальном виде, один из самых распространенных минералов в мире. (Источник изображения)

В чистом виде кремний обычно не проводит электричество, потому что 10 из 14 его электронов уже спарены.Однако во внешней оболочке кремния содержится только половина (4) электронов от необходимого, и поэтому он стремится к связи с другими соседними атомами, чтобы собрать оставшиеся электроны и найти баланс. Мы нашли способ воспользоваться этим недостатком электронов, поощряя кремний проводить электричество в процессе легирования.

Легирование — это процесс добавления вторичного атома в кристаллическую структуру кремния, который изменяет количество электронов в материале. Например, если вы легируете кремний фосфором, который имеет пять электронов на внешней оболочке, у вас теперь будет девять полных электронов и один дополнительный электрон, которым можно манипулировать, чтобы освободиться и создать электрический ток.Когда электрон освобождается в легированном кремнии, он считается свободным носителем и будет метаться в поисках свободного места для отдыха.

В солнечных элементах нижний слой кремния легирован бором, который придает кремнию положительный заряд, называемый кремнием n-типа. Верхний слой кремния легирован фосфором, который придает этому слою кремния отрицательный заряд, называемый кремнием р-типа. И когда вы соединяете эти два слоя кремния n-типа и p-типа вместе, вы создаете соединение, называемое соединением P-N.

Здесь вы можете увидеть P-N переход в типичном солнечном элементе. (Источник изображения)

В этот момент электроны будут двигаться, пытаясь устранить дисбаланс и в процессе создавая электрическое поле. Это поле действует как стандартные компоненты диода, позволяя электронам течь только из слоя p-типа в слой n-типа. Проблема в том, что в то время как электроны в слое p-типа могут попасть туда, куда им нужно, электроны n-типа блокируются PN-переходом.Что им делать?

Добавляя внешнюю цепь поверх слоя n-типа в солнечном элементе, вы обеспечиваете путь для ваших электронов n-типа, чтобы добраться до желаемого места назначения в слое p-типа. Следуя по пути наименьшего сопротивления, электроны n-типа затем будут течь через набор тонких проводов, вокруг полной цепи, чтобы обеспечить питанием наши дома, и завершать цепь, когда они собираются в слое p-типа. Этот обмен между кремнием n-типа и p-типа происходит снова и снова, поскольку световые фотоны выбивают электроны, и поэтому мы получаем устойчивый поток тока от наших солнечных элементов.

Типы солнечных батарей

Отдельный солнечный элемент будет генерировать всего несколько ватт энергии, поэтому они должны быть сгруппированы вместе, чтобы выполнять тяжелую работу. Когда вы группируете солнечные элементы вместе, чтобы сделать большую единицу, вы создаете солнечный модуль . Затем эти модули можно снова объединить в одну солнечную панель . На крыше дома вы обычно найдете сотни солнечных элементов, упакованных в набор панелей. На более крупных солнечных фермах вы найдете тонны солнечных панелей, собранных вместе на массивных металлических каркасах, и они образуют солнечных батарей для выработки тонны солнечной электроэнергии.

Будь то солнечная панель или солнечная батарея, солнечные элементы не существуют изолированно. Кремний — это материал с высокой отражающей способностью, и если мы подвергнем этот материал воздействию солнечного света, весь свет будет отражаться от него. Чтобы решить эту проблему, производители обычно наносят на кремний антибликовое покрытие, чтобы свести к минимуму любые потери при захвате световой энергии. Затем этот кремний с покрытием будет покрыт стеклянной крышкой, которая придает солнечному элементу его типичный сине-черный непрозрачный цвет.

Независимо от того, сколько солнечных элементов вы можете упаковать в панель, все они могут быть разбиты на один из трех типов:

Монокристаллические элементы

Эти солнечные элементы сначала изготавливаются из длинных цилиндров из кремния, а затем нарезаются на тонкие пластины. Производственный процесс изготовления монокристаллических элементов очень точен и позволяет производить элементы с самым высоким КПД среди всех типов, равным 23%.

Поликристаллические элементы

Эти солнечные элементы сначала изготавливаются из расплавленного кремния, который затем нарезается на тонкие квадраты.Процесс производства поликристаллов недорог по сравнению с монокристаллами, но также приводит к снижению эффективности преобразования энергии примерно на 20%.

Моно (одиночные) и поликристаллические элементы рядом друг с другом. (Источник изображения)

Тонкопленочные солнечные элементы

Эти солнечные элементы почти в 100 раз тоньше, чем монокристаллические или поликристаллические элементы, и вы можете обнаружить, что они изготовлены из альтернативных материалов, таких как теллурид кадмия (CdTe) или диселенид меди, индия и галлия (CIGS).Благодаря своей легкости и гибкости эти ячейки «второго поколения» можно применять к различным материалам подложки, таким как металл, пластик или стекло. Однако это повышение гибкости также приводит к падению эффективности примерно на 7-12%.

Тонкопленочные солнечные элементы стали более гибкими и легкими. (Источник изображения)

Проблемы с эффективностью

В этот момент у вас может возникнуть вопрос: почему мы производим солнечные батареи, которые улавливают не более 20% доступного солнечного света? Даже теоретические максимумы эффективности солнечных элементов ограничивают их до 30% в соответствии с пределом Шокли-Квиссера .В чем проблема?

Солнечный свет производит не только один вид фотонов. Если вы когда-нибудь видели электромагнитный спектр, то знаете, что свет на самом деле имеет множество разновидностей, многие из которых невидимы. Все эти спектры света основаны на определенной частоте и длине волны.

Солнечный свет производит множество фотонов, лишь небольшую часть которых мы можем видеть. (Источник изображения)

Кремний оптимизирован только для захвата определенного частотного диапазона фотонов.Например, у некоторых фотонов, попавших в ячейку на основе кремния, недостаточно энергии, чтобы выбить электроны. У других фотонов может быть слишком много энергии, и они выбьют электрон, но любая избыточная энергия будет потрачена впустую. Существует только точное количество энергии фотона, измеряемое в электрон-вольтах (эВ), которое требуется, чтобы выбить электрон. Для кремния достаточно около 1,1 эВ. Любая энергия фотонов выше и ниже этого порога в конечном итоге превращается в потраченный впустую потенциал.

Материалы имеют определенные запрещенные зоны, в которых они могут поглощать световую энергию.(Источник изображения)

Полоса частот фотонов — не единственная проблема, влияющая на эффективность использования солнечной энергии. Существует также проблема того, как далеко электроны должны пройти внутри солнечной панели, пока не достигнут места назначения. Поскольку кремний является полупроводником, любой электрон, проходящий по нему, сталкивается с довольно высоким сопротивлением. Чем дальше вы разместите клеммные контакты из кремниевого материала на панели, тем дальше должны двигаться ваши электроны и, следовательно, больше сопротивление.Как известно любому знающему разработчику электроники, чем выше сопротивление, тем больше энергии вы теряете.

Чтобы свести к минимуму эти потери, солнечные элементы обычно покрывают металлической сеткой, которая сокращает расстояние, которое они должны пройти до клеммного соединения. Некоторые производители также комплектуют солнечные элементы, изготовленные из различных материалов, каждый из которых имеет разную ширину запрещенной зоны . Этот стек из нескольких материалов позволяет поглощать больше частот фотонов, что увеличивает общую эффективность солнечного элемента.

Взвешивание плюсов и минусов Solar

Стоит ли использовать солнечные технологии? Когда на солнечную энергию полагаются как на единственное средство производства энергии, она по-прежнему сопряжена со многими проблемами. Однако при использовании в сочетании с другими источниками электроэнергии вы найдете солнечную энергию в лучшем виде.

Солнечная энергия по-прежнему используется даже в пасмурных местах. (Источник изображения)

Профи

Возьмем, к примеру, способность солнечных панелей генерировать электроэнергию по мере необходимости в непосредственной близости.Дом, оборудованный солнечными панелями на крыше, будет производить электроэнергию именно там, где это необходимо. Это может помочь коммунальным компаниям избежать чрезмерного спроса и нагрузки на свои системы распределения и передачи, позволяя домам или предприятиям получать электроэнергию на месте с помощью солнечных батарей.

В жаркий летний день, когда все включают кондиционеры на полную мощность, солнечные панели обеспечивают идеальный энергетический баланс. Ваши неотложные потребности в энергии удовлетворяются солнечными панелями, что снижает нагрузку на системы передачи электроэнергии из сети.Все это приводит к меньшему количеству отключений электроэнергии и, в конечном счете, к системе, менее зависящей от единственной точки отказа для питания мира.

Модульная технология солнечной энергетики также имеет преимущество. В ситуации, когда одна солнечная панель повреждена, остальная часть системы может продолжать работать. Это контрастирует с чем-то вроде атомной электростанции, которая склонна к полному отказу, если одна система перестанет работать.

Минусы

Существуют также некоторые проблемы с солнечными технологиями.Например, когда дом не потребляет всю энергию, которую он вырабатывает из солнечной энергии, эта энергия обычно возвращается в сеть через «фидерные» линии. Внедрение этих линий может дорого обойтись коммунальным компаниям, поскольку в будущем использование солнечной энергии будет расширяться.

Существует также вопрос о том, как солнечная энергия передается пользователям. В то время как солнечные панели в доме обеспечивают энергию там, где это необходимо, существуют также массивные солнечные фермы, которые должны передавать всю вырабатываемую ими электроэнергию по линиям электропередачи.Как и в любом материале, по которому движется ток, в процессе передачи всегда происходит потеря энергии в виде тепла, которое невозможно восстановить.

Последняя серьезная проблема заключается просто в том, что солнечный свет не является постоянной переменной, которая может включаться и выключаться по нашему выбору. В пасмурную погоду выработка энергии солнечными панелями резко падает. Из-за этого многие коммунальные компании используют солнечную энергию в сочетании с другими источниками энергии, чтобы сбалансировать ежедневные потребности.

Будущее солнечной технологии

Прогуляйтесь по любому району Соединенных Штатов, и вы обязательно увидите, что год за годом все больше солнечных батарей используются.Только за последние десять лет цена на солнечные технологии упала более чем на 60%, что сделало эту некогда дорогую технологию доступной для средних домохозяйств и предприятий.

А как насчет достижений в области солнечной энергии? Растет количество исследований и разработок, направленных на создание более эффективных солнечных технологий. Одним из них является перовскитовый солнечный элемент . На текущем этапе перовскитовая ячейка оказывается дешевле, чем кремниевые, но столь же эффективной.Этот материал состоит из кристаллической структуры оксида кальция и титана и может быть изготовлен при комнатной температуре гораздо более простыми методами, чем требуется для кремния.

Перовскитные элементы представляют собой новую экономичную альтернативу кремниевым элементам. (Источник изображения)

Этот материал полностью заменит кремниевые элементы? Скорее всего, не. Вместо этого компании ищут способы объединить перовскит и кремний в одном элементе. При этом оба материала смогут улавливать фотоны на разных длинах волн, что повышает общую эффективность ячейки.

Исследователи говорят, что до того, как перовскит будет готов к использованию в прайм-тайм, осталось еще 5-10 лет, но ранние эксперименты выглядят многообещающе с эффективностью 20%, что соответствует кремнию. Но сможет ли перовскит когда-нибудь свергнуть кремний как лидера отрасли? Это будет тяжелая битва, если это цель.

Может ли солнечная энергия спасти мир?

Можем ли мы полагаться только на солнечную энергию, чтобы обеспечить мир устойчивым источником энергии? Существует множество переменных, требующих улучшений, таких как повышение эффективности и дальнейшее развитие инфраструктуры.Мы думаем, что будущее может стать реальностью, в которой солнечная энергия станет всего лишь одним маленьким кусочком более крупной головоломки, связанной с устойчивой энергетикой.

Удивительно узнать, как даже солнечные элементы полагаются на основные принципы электричества, чтобы творить свое волшебство. Все начинается с кремниевых полупроводников, которые взаимодействуют с фотонами солнечного света, генерируя полезный электрический ток. Оттуда мы можем использовать основные принципы схем, как и во всех наших электронных устройствах, для питания наших домов, предприятий и образа жизни.

Есть отличная идея для проекта электроники на солнечной энергии? Подпишитесь на Autodesk EAGLE сегодня!

Как работают фотоэлектрические элементы? | Управление научной миссии

Гил Книр

 

 

вернуться к рассказу [email protected] «На краю солнечного света»

Что такое фотоэлектричество?

Фотовольтаика — это прямое преобразование света в электричество на атомарном уровне. Некоторые материалы обладают свойством, известным как фотоэлектрический эффект, который заставляет их поглощать фотоны света и высвобождать электроны.Когда эти свободные электроны захватываются, возникает электрический ток, который можно использовать в качестве электричества.

Фотоэлектрический эффект был впервые отмечен французским физиком Эдмундом Беккерелем в 1839 году, который обнаружил, что некоторые материалы производят небольшое количество электрического тока при воздействии света. В 1905 году Альберт Эйнштейн описал природу света и фотоэлектрический эффект, на которых основана фотогальваническая технология, за что впоследствии он получил Нобелевскую премию по физике. Первый фотоэлектрический модуль был построен Bell Laboratories в 1954 году.Он был объявлен как солнечная батарея и в основном был просто диковинкой, поскольку был слишком дорогим, чтобы получить широкое распространение. В 1960-х годах космическая промышленность впервые начала серьезно использовать эту технологию для обеспечения питания космических кораблей. Благодаря космическим программам технология продвинулась вперед, была установлена ​​ее надежность, а стоимость начала снижаться. Во время энергетического кризиса 1970-х годов фотоэлектрические технологии получили признание как источник энергии для некосмических приложений.

 

На приведенной выше диаграмме показана работа простого фотоэлектрического элемента, также называемого солнечным элементом.Солнечные элементы изготавливаются из тех же видов полупроводниковых материалов, таких как кремний, используемых в микроэлектронной промышленности. Для солнечных элементов тонкая полупроводниковая пластина специально обрабатывается для формирования электрического поля, положительного с одной стороны и отрицательного с другой. Когда световая энергия попадает на солнечный элемент, электроны выбиваются из атомов в полупроводниковом материале. Если электрические проводники присоединены к положительной и отрицательной сторонам, образуя электрическую цепь, электроны могут быть захвачены в виде электрического тока, то есть электричества.Затем это электричество можно использовать для питания нагрузки, такой как свет или инструмент.

Несколько солнечных элементов, электрически соединенных друг с другом и установленных в опорной конструкции или раме, называется фотоэлектрическим модулем. Модули предназначены для подачи электроэнергии определенного напряжения, например, в общую систему 12 вольт. Производимый ток напрямую зависит от того, сколько света падает на модуль.

 

Несколько модулей можно соединить вместе, чтобы сформировать массив.Как правило, чем больше площадь модуля или массива, тем больше электроэнергии будет произведено. Фотоэлектрические модули и массивы производят электричество постоянного тока. Они могут быть соединены как последовательно, так и параллельно для получения любой требуемой комбинации напряжения и тока.

 

Сегодня наиболее распространенные фотоэлектрические устройства используют один переход или интерфейс для создания электрического поля внутри полупроводника, такого как фотоэлемент. В однопереходной фотоэлектрической ячейке только фотоны, энергия которых равна или превышает ширину запрещенной зоны материала ячейки, могут освободить электрон для электрической цепи.Другими словами, фотогальванический отклик однопереходных ячеек ограничивается частью солнечного спектра, энергия которой превышает ширину запрещенной зоны поглощающего материала, и фотоны с меньшей энергией не используются.

Один из способов обойти это ограничение — использовать две (или более) разные ячейки с более чем одной запрещенной зоной и более чем одним переходом для генерирования напряжения. Их называют «многопереходными» ячейками (также называемыми «каскадными» или «тандемными» ячейками). Многопереходные устройства могут достичь более высокой общей эффективности преобразования, поскольку они могут преобразовывать большую часть энергетического спектра света в электричество.

Как показано ниже, многопереходное устройство представляет собой набор отдельных ячеек с одним переходом в порядке убывания ширины запрещенной зоны (Eg). Верхняя ячейка захватывает высокоэнергетические фотоны и пропускает остальные фотоны для поглощения ячейками с нижней запрещенной зоной.

 

Большая часть сегодняшних исследований многопереходных элементов сосредоточена на арсениде галлия как на одном (или на всех) элементах-компонентах. Такие элементы достигли эффективности около 35% при концентрированном солнечном свете. Другими материалами, изученными для многопереходных устройств, были аморфный кремний и диселенид меди-индия.

В качестве примера, многопереходное устройство ниже использует верхнюю ячейку из фосфида галлия-индия, «туннельный переход», чтобы облегчить поток электронов между ячейками, и нижнюю ячейку из арсенида галлия.

 

Â

 

вернуться к рассказу [email protected] «На краю солнечного света»

 


Присоединяйтесь к нашему растущему списку подписчиков — подпишитесь на нашу экспресс-доставку новостей и вы будете получать по электронной почте сообщение каждый раз, когда мы публикуем новую историю!!!

 

Подробнее Заголовки

 

КОНЕЦ

Почему Америка больше не производит солнечные панели

Каждую неделю наш ведущий климатический репортер предлагает вам важные идеи, экспертный анализ и жизненно важные рекомендации, которые помогут вам процветать на меняющейся планете. Зарегистрируйтесь, чтобы получить T he Weekly Planet , наш путеводитель по жизни в условиях изменения климата на ваш почтовый ящик.


Сегодня вы бы этого не знали, но кремниевый фотоэлектрический элемент — стандартная черно-медная солнечная панель, которую можно найти на крышах пригородов и солнечных фермах — родился и вырос в Америке.

Здесь изобрели технологию. В 1954 году трое американских инженеров из Bell Labs обнаружили, что электроны свободно проходят через кремниевые пластины, когда они подвергаются воздействию солнечного света.

Он был развернут здесь. В 1958 году ВМС США прикрутили солнечные панели к Vanguard 1, второму американскому спутнику в космосе.

И какое-то время его даже производили здесь. В 1960-х и 70-х годах американские компании доминировали на мировом рынке солнечной энергии и зарегистрировали большинство патентов на солнечную энергию. Согласно одному исследованию, еще в 1978 году американские фирмы контролировали 95 процентов мирового рынка солнечной энергии.

Ключевая фраза «на время». Солнечные панели больше не производятся в Соединенных Штатах, хотя рынок для них больше, чем когда-либо.Начиная с 1980-х годов лидерство в отрасли перешло к Японии, затем к Китаю. Сегодня только один из 10 крупнейших производителей солнечных батарей в мире является американским.

В течение последних нескольких десятилетий такого рода истории — об изобретениях, глобализации и деиндустриализации — были частью фонового шума американской экономики. В последнее время политики, кажется, стремятся что-то с этим сделать. На прошлой неделе сильное двухпартийное (!) большинство в Сенате приняло законопроект, направленный на сохранение «технологической конкурентоспособности» Америки по сравнению с Китаем.В течение следующих нескольких лет компания потратит более 100 миллиардов долларов на фундаментальные исследования и разработки.

И в рамках своего предложения по инфраструктуре Джо Байден попросил Конгресс выделить 35 миллиардов долларов на исследования и разработки в области чистой энергии. Наблюдатели слева нарисовали эту цифру как жалко маленькую, отметив, что она примерно равна тому, что американцы тратят на корм для домашних животных каждый год.

Я разделяю их опасения. Но я пишу об этих предложениях, потому что у меня с ними большая проблема: Я не уверен, что НИОКР — это решение наших проблем .Или, по крайней мере, я не уверен, что тот вид НИОКР, который Конгресс хочет санкционировать , является ответом на наши проблемы.

Давайте вернемся. R&D обычно относится к расходам на исследования, которые не имеют очевидного или непосредственного применения на рынке. США лидируют в мире по расходам на НИОКР на протяжении десятилетий, хотя Китай находится на втором месте и продолжает расти. Исследования и разработки могут показаться непостижимо скучной темой, сродни спорам о медицинских данных или разрешениях на получение грантов, но они вращаются вокруг некоторых из самых глубоких — и остающихся без ответа — вопросов индустриальной цивилизации: почему одни технологии развиваются вместо других? Почему одни страны становятся богаче быстрее других? Как мы можем существенно улучшить жизнь людей как можно быстрее — и может ли правительство что-нибудь сделать, чтобы помочь? Прежде всего, откуда берется экономический рост? Это то, из-за чего мы ссоримся, когда ссоримся из-за НИОКР.

Вот почему я считаю, что история солнечной энергетики так важна. (Следующий рассказ обязан мне чтением и беседой с Максом Джернеком, исследователем Стокгольмской школы экономики, который задокументировал историю использования солнечной энергии в США и Японии.)

В конце 1970-х не было очевидным, что американская солнечная промышленность оказалась в опасности. Президент Джимми Картер и Конгресс только что учредили Министерство энергетики, которое пообещало развивать новые энергетические технологии с той же серьезностью, что и США.С. посвящает разработке новых военных технологий. Солнечные инженеры видели светлое будущее. Но затем ряд изменений сотряс американскую экономику. Федеральная резервная система подняла процентные ставки до рекордно высокого уровня, что затруднило получение американцами автокредитов, при этом укрепив доллар по отношению к другим валютам, что затруднило продажу товаров американским экспортерам за границу. Президенты Картер и Рональд Рейган ослабили правила против «корпоративного рейдерства», позволив трейдерам с Уолл-стрит принуждать компании закрывать или отделять часть своего бизнеса.После 1980 года Рейган также ослабил федеральные экологические правила, распустив новое министерство энергетики, отказавшись от поддержки альтернативных источников энергии, таких как солнечная энергия.

Американские производители уже изо всех сил пытались конкурировать с импортом из Восточной Азии. Теперь они провалились. Стартапы закрываются; специалисты ушли из отрасли. Корпоративные рейдеры вынудили нефтяные компании, такие как Exxon, продать или закрыть свои небольшие подразделения по исследованиям и разработкам в области солнечной энергетики. Соединенные Штаты, страна, которая когда-то производила 90 347 всех 90 348 солнечных панелей в мире, столкнулась с падением своей доли на рынке.В 1990 г. американские фирмы производили 32% солнечных панелей во всем мире; к 2005 году они составили всего девять процентов.

Япония выиграла от этого внезапного отречения. В 1980-х годах японские, немецкие и тайваньские фирмы купили патенты и подразделения, проданные американскими фирмами. В то время как в 1980 году в Японии не было солнечной промышленности, о которой можно было бы говорить, к 2005 году она производила почти половину мировых солнечных панелей. И все же R&D не имел почти никакого отношения к краху США.С. Солнечная промышленность. С 1980 по 2001 год Соединенные Штаты превосходили Японию в исследованиях и разработках в области солнечной энергетики каждый год, кроме одного. Позвольте мне повторить: США превышали Японию по затратам на НИОКР каждый год, кроме одного. Он все равно потерял технологический рубеж.

Проблема заключалась не тогда — и не сейчас — в том, что Америка не тратит средства на исследования и разработки. Это был набор предположений, которые определяют, как Америка думает о развитии высоких технологий.

Американская система в 1980-х годах и сегодня предназначена для производства фундаментальной науки — исследований без непосредственного очевидного применения.В США в начале 80-х годов большинство компаний, производящих солнечную энергию, готовились к прогнозируемому массовому рынку будущего: крышам домов и солнечным фермам в масштабе сети. Оба требовали, чтобы солнечные панели стали значительно дешевле и эффективнее, чем они были в то время: другими словами, им требовались исследования и разработки.

Но промышленная политика Японии, организованная влиятельным Министерством международной торговли и промышленности, была направлена ​​на немедленное коммерческое применение технологий.Он также обеспечивал стабильное поддерживающее финансирование для компаний, которые хотели инвестировать в поиск приложений. Таким образом, японские компании были вынуждены как можно скорее включить солнечные панели в свою продукцию. В течение нескольких лет они нашли первое крупное коммерческое применение солнечных батарей, поместив их в карманные калькуляторы, наручные часы и другую бытовую электронику. Поскольку этим устройствам не требовалось много электроэнергии, они хорошо обслуживались солнечными панелями , поскольку они существовали в 1980-х годах, а не в том виде, в котором, по мнению научно-исследовательского исследования, они могли бы стать в будущем.

И готовность Японии поставлять быстро и несовершенно в конечном итоге помогла ей разработать солнечную энергию для коммунальных предприятий. По мере того, как японские фирмы массово производили больше солнечных панелей, они становились лучше. Они научились делать это дешево. Это «обучение на практике» в конечном итоге снизило стоимость солнечных элементов больше, чем когда-либо удавалось американским теоретическим исследованиям и разработкам. Совсем недавно китайские фирмы подражали этому методу, чтобы съесть долю Японии в мировой солнечной промышленности, сказал мне Грег Немет, профессор государственной политики в Университете Висконсина и автор книги . Как солнечная энергия стала дешевой , . .

Немного уменьшите масштаб, и вы увидите более глубокую проблему в том, как американцы думают о технологиях. Мы склонны, возможно, вопреки интуиции, чрезмерно интеллектуализировать его. Вот пример: вы, вероятно, жили с протекающим краном в вашем доме в какой-то момент, раковиной или душем, в котором вам приходилось поворачивать ручку холода точно так же, как , чтобы фактически перекрыть поток воды. Как вы научились правильно поворачивать ручку — вы нашли и прочитали учебник для колледжа по углубленному изучению негерметичных кранов или просто возились с ручкой, пока не узнали, как заставить ее работать? Если бы вам пришлось написать инструкции по повороту ручки, чтобы она не протекла, смогли бы вы это сделать?

Как сделать так, чтобы кран не протекал, является примером того, что антропологи называют неявным знанием, информацией, которая хранится в человеческом сознании и трудно поддается объяснению.Высокие технологии требуют гораздо большего количества неявных знаний, чем обычно допускает американская система. Понимание того, как массово производить автомобиль или солнечную батарею, не хранится в книге или патентной заявке; она существует в мозгах и телах рабочих, мастеров и инженеров на линии. Вот почему мест , где собираются вместе инженеры, дизайнеры и рабочие — будь то в Детройте, Силиконовой долине или Шэньчжэне, — всегда были источником прогресса.

Американская система НИОКР предназначена для исправления предполагаемого провала свободного рынка — ни у одной корпорации нет стимула финансировать науку ради науки.Безусловно, этот подход принес успехи, особенно в медицине: мРНК-вакцины COVID-19 стали результатом многих лет неблагодарных «чистых» исследований и разработок. Однако, как пишет ученый из Института Нисканена Сэмюэл Хаммонд, это различие — между чистой и прикладной наукой — иллюзорно. Исследования и разработки полезны, но, в конечном счете, только 90 347 организаций, внедряющих технологии в массовом масштабе, 90 348 действительно могут продвинуться на технологический рубеж. Нам не нужно, чтобы правительство финансировало науку в одиночку; нам нужно, чтобы правительство поддерживало процветающий промышленный сектор и стимулировало компании к развертыванию новых технологий , как это делает правительство Японии.

Администрация Байдена, кажется, помнит о некоторых проблемах, связанных с инвестированием только в «чистые» НИОКР. Американский план занятости предлагает потратить 20 миллиардов долларов на новые «региональные инновационные центры», которые объединят государственные и частные инвестиции для ускорения развития различных энергетических технологий. Он также направлен на создание 10 новых «первопроходческих объектов», крупномасштабных демонстрационных проектов, которые будут работать над некоторыми из самых сложных прикладных проблем обезуглероживания, таких как производство стали и бетона с нулевым содержанием углерода.Я думаю, что это более перспективно, чем вкладывать больше денег в исследования и разработки как таковые.

Решение проблемы изменения климата требует от нас правильного проведения НИОКР . Сегодня на долю Соединенных Штатов приходится 11 процентов ежегодных глобальных выбросов парниковых газов . Его доля упала с 1990-х годов и будет продолжать сокращаться. Тем не менее, независимо от его доли в глобальном углеродном загрязнении, он остается мировой научно-исследовательской лабораторией и крупнейшим и самым богатым потребительским рынком. Один из лучших способов, которыми СШАможет служить миру, это разработать технологии здесь , которые сделают декарбонизацию дешевой и легкой, а затем экспортировать их за границу. Но чтобы выполнить эту роль, ему придется инвестировать в реальные технологии: поток патентов от университетских исследователей не спасет мир. Инженеры, рабочие и ученые, работающие вместе, могут.


Еще одна короткая мысль обо всем этом: Я понимаю, что может показаться неуклюжим утверждение, что солнечные панели — это американская технология.Как наука и техника могут иметь национальность, если они являются достоянием человечества? (Джонас Солк, изобретатель вакцины против полиомиелита, на вопрос, кому принадлежит патент на его формулу: «Можете ли вы запатентовать солнце?») Но называть солнечные панели «американскими» не означает, что только американцы имеют право использовать или сделать их. Следует отметить, во-первых, что технологии разрабатываются в конкретных местах, конкретными людьми. Мы должны сосредоточиться на том, какие места больше всего способствуют развитию технического прогресса.И, во-вторых, это намек на реальность, которую пандемия сделала неизбежной: большой, богатый и промышленно развитый рынок, такой как Соединенные Штаты (или Европейский союз), должен иметь возможность производить достаточно товаров для себя в чрезвычайной ситуации. Например, то, что США не могли производить свои собственные маски для лица в прошлом году, было абсурдным. Ни одна страна, конечно, не должна специализироваться на производстве каждого продукта, но страны пока являются базовыми единицами мировой экономической системы, и они должны быть в состоянии обеспечить высокотехнологические потребности своих жителей в чрезвычайной ситуации.


Спасибо за внимание. Подпишитесь, чтобы получать The Weekly Planet на свой почтовый ящик.

Фотогальваника и электричество – Управление энергетической информации США (EIA)

Фотогальванические элементы преобразуют солнечный свет в электричество

Фотогальванический (PV) элемент, обычно называемый солнечным элементом, представляет собой немеханическое устройство, которое непосредственно преобразует солнечный свет в электричество. Некоторые фотоэлементы могут преобразовывать искусственный свет в электричество.

Фотоны переносят солнечную энергию

Солнечный свет состоит из фотонов или частиц солнечной энергии.Эти фотоны содержат разное количество энергии, соответствующее разным длинам волн солнечного спектра.

Фотоэлектрический элемент изготовлен из полупроводникового материала. Когда фотоны ударяются о ячейку PV, они могут отражаться от ячейки, проходить через ячейку или поглощаться полупроводниковым материалом. Только поглощенные фотоны обеспечивают энергию для выработки электричества. Когда полупроводниковый материал поглощает достаточно солнечного света (солнечной энергии), электроны выбиваются из атомов материала.Специальная обработка поверхности материала при изготовлении делает переднюю поверхность ячейки более восприимчивой к вытесненным или свободным электронам, так что электроны естественным образом мигрируют к поверхности ячейки.

Поток электричества

Движение электронов, каждый из которых несет отрицательный заряд, к передней поверхности клетки создает дисбаланс электрического заряда между передней и задней поверхностями клетки. Этот дисбаланс, в свою очередь, создает потенциал напряжения, подобный отрицательному и положительному полюсам батареи.Электрические проводники на клетке поглощают электроны. Когда проводники соединены в электрическую цепь с внешней нагрузкой, такой как батарея, в цепи течет электричество.

Эффективность фотоэлектрических систем зависит от типа фотоэлектрической технологии

Эффективность, с которой фотоэлементы преобразуют солнечный свет в электричество, зависит от типа полупроводникового материала и технологии фотоэлементов.КПД коммерчески доступных фотоэлектрических модулей в среднем составлял менее 10% в середине 1980-х годов, к 2015 году он увеличился примерно до 15%, а в настоящее время приближается к 20% для современных модулей. Экспериментальные фотоэлементы и фотоэлементы для нишевых рынков, таких как космические спутники, достигли эффективности почти 50%.

Как работают фотоэлектрические системы

Фотоэлектрическая ячейка является основным строительным блоком фотоэлектрической системы. Размер отдельных клеток может варьироваться от примерно 0,5 дюйма до примерно 4 дюймов в поперечнике.Тем не менее, одна ячейка производит только 1 или 2 Вт, чего достаточно только для небольших целей, таких как питание калькуляторов или наручных часов.

Фотоэлементы

электрически соединены в упакованном, защищенном от непогоды фотоэлектрическом модуле или панели. Фотомодули различаются по размеру и количеству электроэнергии, которую они могут производить. Генерирующая мощность фотоэлектрического модуля увеличивается с количеством ячеек в модуле или площадью поверхности модуля. Фотоэлектрические модули могут быть соединены группами для формирования фотоэлектрического массива.Солнечная батарея может состоять из двух или сотен фотоэлектрических модулей. Количество фотоэлектрических модулей, соединенных в фотоэлектрический массив, определяет общее количество электроэнергии, которое может генерировать массив.

Фотогальванические элементы генерируют электричество постоянного тока. Это электричество постоянного тока можно использовать для зарядки аккумуляторов, которые, в свою очередь, питают устройства, использующие электричество постоянного тока. Почти вся электроэнергия поставляется в виде переменного тока (AC) в системах передачи и распределения электроэнергии. Устройства, называемые инверторами , используются на фотоэлектрических модулях или в массивах для преобразования электричества постоянного тока в электричество переменного тока.

Фотоэлементы и модули

будут производить наибольшее количество электроэнергии, когда они обращены прямо к солнцу. Фотоэлектрические модули и массивы могут использовать системы слежения, которые перемещают модули так, чтобы они постоянно были обращены к солнцу, но эти системы дороги. Большинство фотоэлектрических систем имеют модули в фиксированном положении, причем модули обращены прямо на юг (в северном полушарии — прямо на север в южном полушарии) и под углом, который оптимизирует физические и экономические характеристики системы.

Солнечные фотоэлектрические элементы сгруппированы в панели (модули), а панели могут быть сгруппированы в массивы разных размеров для производства от малого до большого количества электроэнергии, например, для питания водяных насосов для поения скота, для обеспечения электричеством домов или коммунальных услуг. масштабное производство электроэнергии.

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (авторское право)

Применение фотоэлектрических систем

Самые маленькие фотоэлектрические системы питают калькуляторы и наручные часы.Более крупные системы могут обеспечивать электроэнергией перекачку воды, питание коммуникационного оборудования, подачу электроэнергии для одного дома или предприятия или формировать большие массивы, которые снабжают электроэнергией тысячи потребителей электроэнергии.

  • Фотоэлектрические системы могут поставлять электроэнергию в местах, где отсутствуют системы распределения электроэнергии (линии электропередач), а также они могут поставлять электроэнергию в электрическую сеть.
  • Солнечные батареи
  • могут быть установлены быстро и могут быть любого размера.
  • Воздействие на окружающую среду фотоэлектрических систем, расположенных на зданиях, минимально.

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (авторское право)

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (авторское право)

История фотогальваники

Первая практическая фотоэлектрическая ячейка была разработана в 1954 году исследователями Bell Telephone. Начиная с конца 1950-х годов фотоэлементы использовались для питания U.С. космические спутники. К концу 1970-х фотоэлектрические панели обеспечивали электроэнергией отдаленные или автономные места, где не было линий электропередач. С 2004 года большинство фотоэлектрических систем в Соединенных Штатах подключены к сети — они подключены к электросети — и установлены на домах и зданиях или рядом с ними, а также на объектах коммунального хозяйства. Технологические достижения, более низкие затраты на фотоэлектрические системы, а также различные финансовые стимулы и государственная политика помогли значительно расширить использование фотоэлектрических систем с середины 1990-х годов.В настоящее время в Соединенных Штатах установлены сотни тысяч подключенных к сети фотоэлектрических систем.

По оценкам Управления энергетической информации США (EIA), выработка солнечной электроэнергии на фотоэлектрических электростанциях коммунального масштаба увеличилась с 76 миллионов киловатт-часов (кВтч) в 2008 году до примерно 88 миллиардов кВтч в 2020 году. масштабные фотоэлектрические системы, подключенные к сети, в 2020 году, по сравнению с 11 миллиардами кВтч в 2014 году. Электростанции коммунального масштаба имеют не менее 1000 киловатт (или один мегаватт (МВт) мощности по выработке электроэнергии, а малые системы имеют мощность менее одного МВт. емкость.Большинство небольших фотоэлектрических систем расположены на зданиях и иногда называются крышными фотоэлектрическими системами .

Последнее обновление: 26 марта 2021 г.

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.