Site Loader

Содержание

Принцип работы солнечной батареи

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

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

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

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

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

Что такое солнечное электричество?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Солнечные батареи. Как работают солнечные батареи

Дорого отапливать дом газом? Или у вас на даче постоянно отключают свет? А может быть вы устали переплачивать за электроэнергию? Вам поможет установка солнечной батареи, которая обеспечит вас не только электричеством, но и отоплением. В этой статье мы рассмотрим принцип работы солнечной батареи, и ее отличия от солнечного коллектора.

В чем суть работы солнечной батареи?

Солнечная батарея, она же фотобатарея, представляет собой фотопластину, изменяющую под воздействием солнечных лучей проводимость в отдельных своих участках.

Это позволяет преобразовать энергию этих переходов в электрическую, которая либо используется сразу, либо накапливается.
Для того, чтобы понять принцип работы солнечной батареи, необходимо знать несколько моментов:


Итак, как же работает солнечная батарея?

На отрицательно заряженную панель падает солнечный свет. Он вызывает активное образование дополнительных отрицательных зарядов и «дырок». Под воздействием электрического поля, которое присутствует в p-n переходе, происходит разделение положительно и отрицательно заряженных частиц. Первые направляются в верхний слой, а вторые в нижний. Таким образом, появляется разность потенциалов, иными словами, постоянное напряжение (U).

Исходя из этого видно, что один фотопреобразователь работает по принципу батарейки. И в случае, когда к нему подсоединяется нагрузка, в цепи возникает ток. Сила тока будет зависеть от таких параметров, как:


Выделяют несколько типов солнечных батарей: поли- и монокристаллические, а также аморфные.
Монокристаллические являются наименее продуктивными, но при этом самыми недорогими. В связи с этим их использование оправдано в качестве дополнительных источник энергии на случай отключения централизованной подачи электроэнергии.
Поликристаллы занимают промежуточные позиции по этим двум параметрам, в связи с чем могут быть использованы в отдаленных районах, лишенных централизованной подачи электроэнергии.

Аморфные солнечные батареи отличаются высокой эффективностью, однако и очень высокой стоимостью. В их основу входит аморфный кремний.

Данные разработки еще не вышли на промышленный уровень и находятся на экспериментальной стадии.

Зачем нужен контроллер в солнечной батарее?

Солнечные батареи, принцип работы которых был описан выше, не смогли бы эффективно заменить системы центральной подачи электроэнергии, если бы не были оснащены контроллерами, способными контролировать степень заряда солнечной батареи.

Контролеры позволяют перераспределять энергию, полученную от солнечных батарей, направляя ее при необходимости напрямую к источнику потребления, либо сохраняя ее в аккумуляторе.

Выделяют несколько типов контроллеров солнечных батарей, отличающихся между собой степенью увеличения общей эффективности системы солнечных батарей.

Для того, чтобы приобщиться к использованию альтернативных источников энергии, вовсе не обязательно приобретать дорогостоящую солнечную батарею. Есть более доступные примеры использования солнечной энергии для получения электрической. Речь идет о популярных в настоящее время садовых фонарях на солнечных батареях.

Такие фонарики позволяют освещать приусадебный участок в темное время суток, не затрачивая на это дополнительную электроэнергию.

Принцип работы таких фонарей заключается в том, что посредством фитопластины, вмонтированной в верхнюю часть фонарика, происходит улавливание и преобразование солнечной энергии, которая аккумулируется в небольшой батарее, расположенной в основании фонарика. Расход накопившейся энергии происходит в темное время суток.

В профессиональных кругах панели, преобразующие солнечный свет в электроэнергию, называют фотоэлектрическими преобразователями, которые в разговорной речи или при написании понятных для широких масс статей принято называть солнечными батареями. Принцип работы этих устройств, первые рабочие экземпляры которых появились достаточно давно, на самом деле достаточно простой для понимания человеком, имеющим только знания со школьной скамьи.

Не секрет, что p-n переход может преобразовывать свет в электроэнергию. В школьных опытах нередко проводят эксперимент с транзистором со спиленной верхней крышкой, позволяющей свету падать на p-n переход. Подключив к нему вольтметр, можно зафиксировать, как при облучении светом такой транзистор выделяет мизерный электрический ток. А если увеличить площадь p-n перехода, что в таком случае произойдет? В ходе научных экспериментов прошлых лет, специалисты изготовили p-n переход с пластинами большой площади, вызвав тем самым появление на свет фотоэлектрических преобразователей, называемых солнечными батареями.

Принцип действия современных солнечных батарей сохранился, несмотря на многолетнюю историю их существования. Усовершенствованию подверглась лишь конструкция и материалы, используемые в производстве, благодаря которым производители постепенно увеличивают такой важный параметр, как коэффициент фотоэлектрического преобразования или КПД устройства. Стоит также сказать, что величина выходного тока и напряжения солнечной батареи напрямую зависит от уровня внешней освещенности, который воздействует на неё.

На картинке выше можно видеть, что верхний слой p-n перехода, который обладает избытком электронов, соединен с металлическими пластинами, выполняющими роль положительного электрода, пропускающими свет и придающими элементу дополнительную жесткость. Нижний слой в конструкции солнечной батареи имеет недостаток электронов и к нему приклеена сплошная металлическая пластина, выполняющая функцию отрицательного электрода.

Технология, по которой изготовлена солнечная батарея, влияет на её КПД

Считается, что в идеале солнечная батарея имеет близкий к 20 % КПД. Однако на практике и по данным специалистов сайта www.сайт он примерно равен всего 10 %, при том, что для каких солнечных батарей больше, для каких то меньше. В основном это зависит от технологии, по которой выполнен p-n переход. Самыми ходовыми и имеющими наибольший процент КПД продолжают являться солнечные батареи, изготовленные на основе монокристалла или поликристалла кремния. Причем вторые из-за относительной дешевизны становятся все распространеннее. К какому типу конструкции солнечная батарея относится можно определить невооруженным глазом. Монокристаллические светопреобразователи имеют исключительно чёрно-серый цвет, а модели на основе поликристалла кремния выделяет синяя поверхность. Поликристаллические солнечные батареи, изготавливаемые методом литья, оказались более дешевыми в производстве. Однако и у поли- и монокристаллических пластин есть один недостаток — конструкции солнечных батарей на их основе не обладают гибкостью, которая в некоторых случаях не помешает.

Ситуация меняется с появлением в 1975 году солнечной батареи на основе аморфного кремния, активный элемент которых имеет толщину от 0,5 до 1 мкм, обеспечивая им гибкость. Толщина обычных кремниевых элементов достигает 300 мкм. Однако, несмотря на светопоглощаемость аморфного кремния, которая примерно в 20 раз выше, чем у обычного, эффективность солнечных батарей такого типа, а именно КПД не превышает 12 %. Для моно- и поликристаллических вариантов при всем этом он может достигать 17 % и 15 % соответственно.

Материал, из которого изготовлены пластины, влияет на характеристики солнечных батарей

Чистый кремний в производстве пластин для солнечных батарей практически не используется. Чаще всего в качестве примесей для изготовления пластины, вырабатывающей положительный заряд, используется бор, а для отрицательно заряженных пластин мышьяк. Кроме них при производстве солнечных батарей все чаще используются такие компоненты, как арсенид, галлий, медь, кадмий, теллурид, селен и другие. Благодаря ним солнечные батареи становятся менее чувствительными к перепадам окружающих температур.

Большинство солнечных батарей могут накапливать энергию, представляя собой системы

В современном мире отдельно от других устройств солнечные батареи используются все реже, чаще представляя собой так называемые системы. Учитывая, что фотоэлектрические элементы вырабатывают электрический ток только при прямом воздействии солнечных лучей или света, ночью или в пасмурный день они становятся практически бесполезными. С системами на солнечных батареях всё иначе. Они оборудованы аккумулятором, способным накапливать электрический ток днем, когда солнечная батарея его вырабатывает, а ночью, накопленный заряд может отдавать потребителям.

Для увеличения мощности, выходного напряжения и тока на основе солнечных батарей создаются панели, где отдельные элементы соединяются последовательно или параллельно.

В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях (в научной литературе они называются фотоэлектрическими панелями ).

Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи — это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании.

В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: непосредственно, солнечной батареи (генератора постоянного тока), аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.

Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей) , которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей.

Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые — 15%.

Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность . Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею.

Э.д.с. (электродвижущая сила) отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока.

Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую либо нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки. Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением Pн = IнUн, где Uн напряжение на зажимах батареи.

Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему коэффициенту полезного действия (кпд) преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности.

Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном — выходной ток. Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит в выходу из строя всей цепочки, т. е. повышает надежность работы всей батареи.

Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов . Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а э.д.с. — последовательно включенных солнечных элементов. Так комбинируя типы соединения собирают батарею с требуемыми параметрами.

Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 — по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает. Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи.

При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов, они шунтируются и ток через них не идет. Диоды должны быть низкоомными, чтобы уменьшить на них падение напряжения. Для этих целей в последнее время используют диоды Шоттки.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. — химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока.

Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.

При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда.

Это процесс контролируется . При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда.

При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.

Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов — (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовыех батарей, которые сделанны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей — 10 — 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается!

Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность.

Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечной батарей можно использовать специальные устройства — .

Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.

Когда-то, с помощью зеркал, нагревали воду, а сейчас создают целые электростанции на солнечных батареях. Разберем принцип работы солнечной батареи, и почему они так эффективны для получения энергии.

Фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии (ФЭП)– это полное название солнечных батарей. Принципы их работы известны более 30 лет, но активно внедряться в быту они начали всего несколько лет назад. Для того чтобы правильно подобрать панели для системы альтернативного обеспечения энергией, необходимо понять принцип их работы.

Принцип работы солнечной батареи

Панель преобразователя состоит из двух тонких пластин из чистого кремния, сложенных вместе. На одну пластину наносят бор, а на вторую фосфор. В слоях, покрытых фосфором, возникают свободные электроны, а в покрытых бором – отсутствующие электроны. Под влиянием солнечного света электроны начинают движение частиц, и между ними возникает электрический ток. Чтобы снять ток с пластин их пропаивают тонкими полосками специально обработанной меди. Одной кремниевой пластины хватит для зарядки маленького фонарика. Соответственно, чем больше площадь панели, тем больше энергии она вырабатывает.

Спаянные между собой пластины,пропускающие УФ лучи, ламинируют пленкой и крепят на стекло. Скрепленные слои заключают в алюминиевую раму.

КПД солнечных батарей

Коэффициент полезного действия панелей преобразователя зависит от нескольких факторов и для традиционных солнечных батарей не превышает 25%, хотя сейчас, используя следящую систему, можно достигнуть показателя и в 40-50 %. Эта система устроена так, чтобы батарея поворачивалась в сторону солнца. Площадь батареи напрямую влияет на ее мощность – первые солнечные батареи, с которыми мы познакомились, были в калькуляторах. Для обеспечения нагрева воды потребуется минимум шесть панелей установленных на крыше.

Также КПД зависит от материала модулей. Пластины изготавливают из монокристаллического, поликристаллического и аморфного кремния и пленок. Самые распространенные и популярные на сегодня (благодаря доступной стоимости) тонкопленочные панели. Они сделаны из тех же материалов, но немного легче, правда, проигрывают по производительности. Максимальный КПД равен 25 %.

Фотоэлектрические системы

Для обеспечения жилья энергией солнца одних панелей не достаточно, для этого понадобится фотоэлектрическая система (ФЭС). Такие системы бывают трех типов:

  • автономные ФЭС – для отдельно стоящих частных домов, в нежилой местности
  • ФЭС соединенные с электросетью – часть приборов запитана от ФЭС, а часть – от централизованной электросети
  • резервные ФЭС – используется только в случае отключения централизованного энергоснабжения.

ФЭС любого типа обязательно состоит из кабелей, контроллера, инвертора и аккумулятора.

Будущее солнечных батарей

По данным исследований экологов и геологов, запасов нефти и газа осталось еще лет на 100. Источники природной энергии (воды, ветра и солнца) неисчерпаемы.

В передовых европейских странах обеспечение новостроек альтернативной энергией – прямая обязанность застройщиков уже с 2007 года. В нашей стране эти проекты продвигаются благодаря энтузиастам от экологии, собирающим вручную ФЭС из подручных материалов. Но таких единицы, веди самому сделать их довольно сложно.

Ряд украинских производителей («Аванте», «Атмосфера», «Ітнелкон України», «СІНТЕК», «Техно-АС») уже выпускают такие панели и обустраивают ФЭС по всей стране. Стоимость продукции, к сожалению, в том же диапазоне, что и зарубежные бренды (Buderus, Wolf, Rehau, Vaillant, Viessmann, Chromagen, Ferroli, Rucelf, Solver).

Эффективное преобразование бесплатных лучей солнца в энергию, которую можно использовать для электроснабжения жилья и иных объектов, – заветная мечта многих апологетов зеленой энергетики.

Но принцип работы солнечной батареи, и ее КПД таковы, что о высокой эффективности таких систем пока говорить не приходится. Было бы неплохо обзавестись собственным дополнительным источником электроэнергии. Не так ли? Тем более что уже сегодня и в России с помощью гелиопанелей “дармовой” электроэнергией успешно снабжается немалое количество частных домохозяйств. Вы все еще не знаете с чего начать?

Ниже мы расскажем вам об устройстве и принципах работы солнечной панели, вы узнаете, от чего зависит эффективность гелиосистемы. А размещенные в статье видеоролики помогут собственноручно собрать солнечную панель из фотоэлементов.

В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.

По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.

Максимум отдачи от солнечной панели можно будет получить, только зная, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как все это правильно подключается

Вначале следует разобраться в существующих разновидностях оборудования для гелиоэнергетики. Солнечные батареи и солнечные коллекторы – это два принципиально разных устройства. Оба они преобразуют энергию лучей солнца.

Однако в первом случае на выходе потребитель получает энергию электрическую, а во втором тепловую в виде нагретого теплоносителя.

Второй нюанс – это понятие самого термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается некое аккумулирующее электроэнергию устройство. Либо на ум приходит банальный отопительный радиатор. Однако в случае с гелиобатареями ситуация кардинально иная. Они ничего в себе не накапливают.

Солнечной панелью генерируется постоянный электроток. Чтобы преобразовать его в переменный (используемый в быту), в схеме должен присутствовать инвертор

Солнечные батареи предназначены исключительно для генерации электрического тока. Он, в свою очередь, накапливается для снабжения дома электричеством ночью, когда солнце опускается за горизонт, уже в присутствующих дополнительно в схеме энергообеспечения объекта аккумуляторах.

Батарея здесь подразумевается в контексте некой совокупности однотипных компонентов, собранных в нечто единое целое. Фактически это просто панель из нескольких одинаковых фотоэлементов.

Внутреннее устройство гелиобатареи

Постепенно солнечные батареи становятся все дешевле и эффективней. Сейчас они применяются для подзарядки аккумуляторов в уличных фонарях, смартфонах, электроавтомобилях, частных домах и на спутниках в космосе. Из них стали даже строить полноценные солнечные электростанции (СЭС) с большими объемами генерации.

Гелиобатарея состоит из множества фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей ФЭП), преобразующих энергию фотонов с солнца в электроэнергию

Каждая солнечная батарея устроена как блок из энного количества модулей, которые объединяют в себе последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Чтобы понять принципы функционирования такой батареи, необходимо разобраться в работе этого конечного звена в устройстве гелиопанели, созданного на базе полупроводников.

Виды кристаллов фотоэлементов

Вариантов ФЭП из разных химических элементов существует огромное количество. Однако большая их часть – это разработки на начальных стадиях. В промышленных масштабах сейчас выпускаются пока что только панели из фотоэлементов на основе кремния.

Кремниевые полупроводники используются при изготовлении солнечных батарей из-за своей дешевизны, особо высоким КПД они похвастаться не могут

Обычный фотоэлемент в гелиопанели – это тонкая пластина из двух слоев кремния, каждый из которых имеет свои физические свойства. Это классический полупроводниковый p-n-переход с электронно-дырочными парами.

При попадании на ФЭП фотонов между этими слоями полупроводника из-за неоднородности кристалла образуется вентильная фото-ЭДС, в результате чего возникает разность потенциалов и ток электронов.

Кремниевые пластины фотоэлементов различаются по технологии изготовления на:

  1. Монокристаллические.
  2. Поликристаллические.

Первые имеют более высокий КПД, но и себестоимость их производства выше, нежели у вторых. Внешне один вариант от другого на солнечной панели можно различить по форме.

У монокристаллических ФЭП однородная структура, они выполняются в виде квадратов со срезанными углами. В отличие от них поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму.

Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого.

Но производительность в плане выработки электроэнергии из солнечных лучей у них редко превышает 15%. Связано это с “нечистотой” получаемых кремниевых пластин и внутренней их структурой. Здесь чем чище p-слой кремния, тем более высокий выходит КПД у ФЭП из него.

Чистота монокристаллов в этом отношении гораздо выше, нежели у поликристаллических аналогов. Их делают не из расплавленного, а из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования у таких ФЭП уже достигает 20-22%.

В общий модуль отдельные фотоэлементы собираются на алюминиевой раме, а для защиты их сверху закрывают прочным стеклом, которое нисколько не препятствует солнечным лучам

Обращенный к солнцу верхний слой пластинки-фотоэлемента делается из того же кремния, но уже с добавлением фосфора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

Принцип работы солнечной панели

При падении солнечных лучей на фотоэлемент в нем генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и «дырки» частично переносятся через p-n-переход из одного слоя полупроводника в другой.

В итоге во внешней цепи появляется напряжение. При этом на контакте p-слоя формируется положительный полюс источника тока, а на n-слоя – отрицательный.

Разность потенциалов (напряжение) между контактами фотоэлемента появляется из-за изменения числа «дырок» и электронов с разных сторон p-n-перехода в результате облучения n-слоя солнечными лучами

Подключенные к внешней нагрузке в виде аккумулятора фотоэлементы образуют с ним замкнутый круг. В результате солнечная панель работает, как своеобразное колесо, по которому вместе белки “бегают” электроны. А аккумуляторная батарея при этом постепенно набирает заряд.

Стандартные кремниевые фотоэлектрические преобразователи являются однопереходными элементами. Переток в них электронов происходит только через один p-n-переход с ограниченной по энергетике фотонов зоной этого перехода.

То есть каждый такой фотоэлемент способен генерировать электроэнергию только от узкого спектра солнечного излучения. Вся остальная энергия пропадает впустую. Поэтому-то и эффективность у ФЭП так низка.

Чтобы повысить КПД солнечных батарей, кремниевые полупроводниковые элементы для них в последнее время стали делать многопереходными (каскадными). В новых ФЭП переходов уже несколько. Причем каждый из них в этом каскаде рассчитан на свой спектр солнечных лучей.

Суммарная эффективность преобразования фотонов в электроток у таких фотоэлементов в итоге возрастает. Но и цена их значительно выше. Здесь либо простота изготовления с невысокой себестоимостью и низким КПД, либо более высокая отдача вкупе с высокой стоимостью.

Солнечная батарея может работать как летом, так и зимой (ей нужен свет, а не тепло) – чем меньше облачность и ярче светит солнце, тем больше гелиопанель сгенерирует электрического тока

При работе фотоэлемент и вся батарея постепенно греется. Вся та энергия, что не пошла на генерацию электротока, трансформируется в тепло. Часто температура на поверхности гелиопанели поднимается до 50–55 0 С. Но чем она выше, тем менее эффективно работает фотогальванический элемент.

В итоге одна и та же модель солнечной батареи в жару генерирует тока меньше, нежели в мороз. Максимум КПД фотоэлементы показывают в ясный зимний день. Тут сказываются два фактора – много солнца и естественное охлаждение.

При этом если на панель будет падать снег, то электроэнергию она генерировать все равно продолжит. Более того, снежинки даже не успеют на ней особо полежать, растаяв от тепла нагретых фотоэлементов.

Эффективность батарей гелиосистемы

Один фотоэлемент даже в полдень при ясной погоде выдает совсем немного электроэнергии, достаточной разве что для работы светодиодного фонарика.

Чтобы повысить выходную мощность, несколько ФЭП объединяют по параллельной схеме для увеличения постоянного напряжения и по последовательной для повышения силы тока.

Эффективность солнечных панелей зависит от:

  • температуры воздуха и самой батареи;
  • правильности подбора сопротивления нагрузки;
  • угла падения солнечных лучей;
  • наличия/отсутствия антибликового покрытия;
  • мощности светового потока.

Чем ниже температура на улице, тем эффективней работают фотоэлементы и гелиобатарея в целом. Здесь все просто. А вот с расчетом нагрузки ситуация сложнее. Ее следует подбирать исходя из выдаваемого панелью тока. Но его величина меняется в зависимости от погодных факторов.

Гелиопанели выпускаются с расчетом на выходное напряжение, кратное 12 В – если на аккумулятор надо подать 24 В, то две панели к нему придется подсоединить параллельно

Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться контроллером управления, который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.

Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею – прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.

Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени.

Для московского региона – это приблизительно 40–45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.

И еще один момент – пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую “грязную” преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно.

Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред.

Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.

Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.

Схема электропитания дома от солнца

Система солнечного электроснабжения включает:

  1. Гелиопанели.
  2. Контроллер.
  3. Аккумуляторы.

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

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

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

Выводы и полезное видео по теме

Принципы работы и схемы подключения солнечных батарей не слишком сложны для понимания. А с собранными нами ниже видеоматериалами разобраться во всех тонкостях функционирования и установки гелиопанелей будет еще проще.

Доступно и понятно, как работает фотоэлектрическая солнечная батарея, во всех подробностях:

Как устроены солнечные батареи:

Сборка солнечной панели из фотоэлементов своими руками:

Каждый элемент в системе солнечного электроснабжения коттеджа должен быть подобран грамотно. Неизбежные потери мощности происходят на аккумуляторах, трансформаторах и контроллере. И их обязательно надо сократить до минимума, иначе и так достаточно низкая эффективность гелиопанелей окажется сведена вообще к нулю.

Устройство солнечной батареи. Теория

Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs). Ниже будут даны краткие описания каждой из них.

Солнечные батареи основе кремния

Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний. В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями. Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе. Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами Si.

Различают два основных типа кремниевых СБ – на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического. В первом случае используется высококачественный (и, соответственно, более дорогой) кремний выращенный по методу Чохральского, который является стандартным методом для получения кремниевых пластин-заготовок для производства микропроцессоров и микросхем. Эффективность СБ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%. Не так давно, фирма Panasonic заявила о начале промышленного выпуска СБ с эффективностью 24,5% (что вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению ~30%).

Во втором случае для производства СБ используется более дешевый кремний произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле (block-cast), специально разработанного для производства СБ. Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов (типичные размеры 1-10мм) разделенных границами зерен. Подобные неидеальности кристаллической структуры (дефекты) приводят к снижению эффективности – типичные значения эффективности СБ из mc-Si составляют 14-18%. Снижение эффективности данных СБ компенсируется их меньшей ценой, так что цена за один ватт произведенной электроэнергии оказывается примерно одинаковой для солнечных панелей как на основе c-Siтак и mc-Si.

Тонкопленочные солнечные панели

Возникает вопрос – зачем разрабатывать другие типы модулей, если солнечные панели на основе моно- и мультикристаллического кремния уже созданы и показывают неплохие результаты? Очевидный ответ — чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными c-Si и mc-Siсолнечными батареями.

Дело в том, что обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, перечисленными выше, обладают и рядом недостатков. Кемний из-за своих особых электрофизических свойств (непрямозонный полупроводник) обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн. Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.

В то же время, прямозонные полупроводники на вроде GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2, и даже некоторые модифицированные формы Si, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон. Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника. Еще одной положительной чертой СБ на основе вышеназванных полупроводников – в отличие от СБ на основе c-Si и mc-Si– является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).

Исследования СБ на основе теллурида кадмия (CdTe) начались еще в 1970х годах ввиду их потенциального использования в качестве перспективных для космических аппаратов. А первое широкое применение «на земле» подобные СБ нашли в качестве элементов питания карманных микрокалькуляторов.

Данные элементы представляют собой гетероструктуру из тонких слоев p-CdTe / n-CdS (суммарная толщина 2-8 мкм) напыленных на стеклянную подложку (основу). Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Основным (и фактически единственным) производителем СБ на основе теллурида кадмия является американская фирма FirstSolar, которая занимает 4-5% всего рынка.

К сожалению, есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe. Кадмий – это экологически вредный тяжелый метал, который требует особых методов обращения и ставит сложный вопросутилизации старых изделий. В виду этого, законодательство многих стран ограничивает свободную продажу гражданам СБ этого типа (строятся только масштабных солнечных электростанций под гарантии утилизации от фирмы производителя). Второй элемент – теллур, довольно редко встречается в земной коре. Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу – довольно призрачны.

Солнечные батареи на основе соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2 (иногда обозначаются как CIGS) являются новичками на рынке солнечной энергетики. Несмотря на то, что начало исследований элементов этого типа было положено еще в середине 70х, в настоящее время коммерческий выпуск в боле-менее солидных масштабах ведет всего лишь фирма SolarFrontierKKиз Японии. Отчасти это связано с технически сложным и дорогим процессом изготовления, хотя в некоторых (удачных!) случаях их эффективность может достигать 20%.

Несмотря на отсутствие экологически вредных элементов в составе этого соединения, значительному расширению производства данных солнечных модулей в будущем угрожает дефицит индия. Ведутся исследования с целью заменить дорогой In на более дешевые элементы и может быть скоро появятся новые изделия на основе соединения Cu2ZnSn(S,Se)4.

Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния a-Si:H. Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены также и на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:

— увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;

— использовать аморфный кремний (a-Si), обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний (с-Si).

По первому пути пошла австралийская фирма CSGSolarLtd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм. По второму – швейцарская OerlikonSolar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния a-Si / с-Si эффективность которых также составляет 11-13%. Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных — наоборот). Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.

Концентраторные солнечные модули

Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев:  Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP. Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника. К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.  

Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат. Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 см2 и сфокусировав его на 1 см2 солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 см2 без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади! Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе, которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы.

В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.  

Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем

Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.

 

Трушин М.В. Ph.D

 

 

 

 

Солнечные батареи зимой — насколько эффективно и выгодно их использовать в России?

Солнечные батареи могут быть великолепной частью вашего дома. Они определённо позволяют экономить вам деньги в течение длительного срока и постоянно могут снижать ваши счета за электроэнергию. Мы все знаем, что солнечные батареи преобразуют энергию Солнца, однако зимой солнечных дней в России немного, поэтому закономерно возникает вопрос: сколько энергии выработают солнечные батареи или коллекторы зимой?

Нужно понимать, что влияние низких температур на фотоэлектрические батареи и на солнечные тепловые коллекторы разное.

Солнечным фотоэлектрическим батареям нужен свет, а не тепло

Многие думают, что в жаркий солнечный день солнечные батареи вырабатывают больше энергии, чем в морозный солнечный день. Это не так. Для выработки электричества солнечных батареям нужен свет, а вот температура наоборот снижает их эффективность. Поэтому яркое солнце и низкая температура — идеальные условия для солнечных батарей. Конечно, в пасмурную погоду панели будут вырабатывать меньше света чем обычно, но в целом редко бывают случаи, когда в правильно рассчитанной системе аккумуляторная батарея на протяжении дня не успевает заряжаться. Зато в солнечную морозную погоду батареи будут очень эффективны. 

Чем ниже солнце над горизонтом, тем меньше энергии достигает солнечных панелей, т.к. солнечным лучам нужно пройти толщу атмосферы. Зимой Солнце всегда низко, а дни короче, поэтому энергии от него можно получить гораздо меньше, чем летом.  Зимой очень важен уровень наклона солнечных батарей. Часто выставляется универсальный угол, на целый год. Про исследование влияния угла наклона на эффективность работы солнечных батарей см. статью «Оптимальный угол установки солнечной батареи для максимальной выработки энергии в северных широтах«

Продуктивность солнечных панелей зимой может падать от 2 до 8 раз в зависимости от региона, чем южнее, тем продуктивность выше. Поэтому чем больше площадь самих батарей, тем больше энергии они смогут собирать. Если летом для работы холодильника, компьютера и освещения дома нужен 1 кВт энергии (это 4 панели по 250 ватт), то зимой для надежности лучше запастись 2 кВт.

Насколько меньше? Расчёты показывают, что система, ориентированная строго на юг и производящая около 300 кВт*ч в июне и июле, будет производить около 50-60 кВт*ч в декабре и январе, т.е. примерно в 5-6 раз меньше, чем летом. Это при условии, что солнечные панели очищены от снега. Если ваши панели будут занесены снегом, то солнечная батарея вообще не будет вырабатывать электроэнергию. Для более точной оценки выработки энергии солнечной фотоэлектрической системы при разных углах наклона можно использовать калькулятор PVWatts на сайте NREL. Калькулятор хорош тем, что рассчитывает выработку энергии с учетом потерь на загрязнение модулей, их нагрев, потерь в проводах, инверторе и проч.

Ниже пример расчёта для Самары для солнечной электростанции мощностью 1 кВт.

Пример расчета выработки энергии для солнечной фотоэлектрической станции мощностью 1 кВт, при угле наклона панелей 38 градусов, потерях в системе 15% и стоимости электроэнергии 5 руб/кВт*ч.

Работают ли солнечные коллекторы зимой?

Мы выше показали, что фотоэлектрические батареи будут производить энергию и зимой, хотя и намного меньше, чем летом. А будут ли солнечные коллекторы греть зимой воду?

Ожидаемо, что зимой мы сможем получить от солнечных коллекторов гораздо меньше тепловой энергии, чем летом. И это связано не только с меньшим приходом солнечной энергии, а также и с тем, что зимой больше потери тепла как в самом коллекторе, так и в трубах, соединяющих их с баком-аккумулятором. 

Вакуумные солнечные коллекторы в среднем могут производить до 60% тепловой энергии, которая требуется вам для горячего водоснабжения. Можно получить около 90% требуемого для ГВС количества  энергии в летние месяцы, и около 25% — зимой. Для плоских солнечных коллекторов цифра летом будет примерно такая же, но вот зимой доля энергии для ГВС от Солнца будет гораздо меньше, и связано это с бОльшими теплопотерями плоских коллекторов при низких температурах воздуха.

Для солнечных коллекторов важно следить, чтобы трубки, по которым проходит жидкость зимой не замерзала. Хотя номинально они могут нагревать воду и при -30 градусах до 10-15 градусов и дальнейший нагрев делают уже другие приборы.

Для работы в круглогодичном режиме для минимизации потерь тепла в элементах системы нужно устанавливать сплит системы с размещением бака-аккумулятора в доме. Тогда потери будут только в трубопроводах, расположенных снаружи; их нужно максимально утеплить, чтобы тепло, выработанное солнечным коллектором, дошло до бака-теплоаккумулятора.

Теплопотери через солнечный коллектор и трубопроводы — не единственная проблема при работе солнечных коллекторов зимой. В сильные морозы теплоноситель (обычно специальный «солнечный» на основе пропиленгликоля) может загустеть до такой степени, что циркуляционный насос не сможет продавить его по трубам. В нашей практике даже были случаи, когда на морозе в солнечную погоду вакуумные коллекторы закипали из-за того, что насос не мог прокачать загустевший в трубах теплоноситель. Это нужно учитывать при проектировании и эксплуатации солнечной системы теплоснабжения.

В отличие от фотоэлектрических панелей, которые на морозе работают лучше, а тепловых потерь на пути от панелей до инвертора практически нет, у солнечных тепловых систем есть потери энергии, причем они тем больше, чем холоднее.

Можно ли оптимизировать солнечные панели для работы зимой?

Зимой оптимальный угол наклона к горизонту как солнечных батарей, так и солнечных коллекторов будет больше, из-за того, что Солнце зимой более низко над горизонтом. Для того, чтобы получать максимальное количество энергии и зимой, нужно менять угол наклона солнечных батарей или коллекторов. В нашем ассортименте есть специальные монтажные конструкции для солнечных батарей, которые позволяют менять угол наклона в пределах 15-30 или 30-60 градусов. Еще больше энергии можно получить при помощи трекеров, которые следят за ходом Солнца в течение дня. Однако, большинство систем установлены с фиксированным углом наклона (особенно это относится к солнечным коллекторам, т.к. у них сложнее менять угол наклона из-за трубопроводов). Значения углов наклона для максимальной выработки энергии в различные сезоны года и в среднем за год рассматривается в статьях  Угол наклона и направление и Натурные испытания оптимального угла установки СБ.

Калькулятор PVWATTS также дает интересные результаты для различных углов наклона. Считается, что оптимально устанавливать солнечные панели под углом, равным широте местности. Действительно, для более равномерного распределения выработки энергии при не очень большом снижении годовой выработки этот угол является оптимальным. Если же нужно получить максимальную генерацию энергии в течение года, то угол наклона должен быть примерно «широта местности — 15 градусов«. То есть для Московской области угол наклона для максимальной выработки равен 38-42 градуса.

Влияние снега на работу солнечных батарей

Проблемы, которые может причинить снег солнечным батареям, обычно минимальны. Однако, нужно обратить внимание на следующие моменты, если в вашем регионе снежные зимы и у вас на крыше установлены солнечные батареи:

Чистка солнечных батарей от снега — при правильной установке занимает не больше времени, чем расчистка от снега дорожек
  1. Все солнечные панели рассчитаны выдерживать определенный вес, и снеговая нагрузка обычно гораздо меньше максимально допустимой. Все солнечные панели тестируются под давлением на производстве, чтобы быть уверенным в их сроке службе и качестве. Посмотрите на характеристики солнечной панели, обычно в спецификации указывается максимальный вес, который может выдержать солнечная панель.
  2. Если снег закрывает солнечные панели, они не могут производить электричество — но для решения этой проблемы достаточно почистить солнечную батарею специальным оборудованием. Солнечным панелям нужен солнечный свет, чтобы производить электроэнергию. В большинстве случаев солнечные панели устанавливаются под определенным углом, который обеспечивает естественный сход снега с солнечных панелей. Вы можете ускорить этот процесс при помощи ручной очистки снега специальными щетками, которые не повреждают и не царапают солнечные панели.
  3. Морозная солнечная погода повышает выработку энергии солнечными батареями.  Пока светит солнце на панели, они вырабатывают электроэнергию, зимой даже лучше, чем летом. Это значит, за 1 час солнечной погоды ваши солнечные панели зимой выработают больше энергии, чем за тот же час, но летом. Общее количество энергии, конечно же, будет меньше, потому что зимой день намного короче, чем летом, и солнечных дней меньше. 

Можно ли надеяться на солнечные батареи зимой?

К сожалению, солнечные батареи и коллекторы не смогут обеспечить вас достаточным количеством энергии в зимнее время. Но некоторые системы работают на удивление эффективно и зимой.

Не надо надеяться на то, что солнечные батареи или коллекторы обеспечат ваши потребности в горячей воде или отоплении, но они помогут существенно сэкономить вам на счетах за электричество. Настолько, что ваша система окупится менее, чем за 10 лет. А если вы не подключены к электросетям и используете генератор для получения электричества, то фотоэлектрическая система окупится за срок от нескольких месяцев до 2-3 лет в зависимости от стоимости топлива и ваших затрат на капитальный ремонт или замену топливного генератора.

Даже с учетом того, что зимой на большей части России приход солнечной радиации снижается, вложения в солнечную энергосистему продолжает оставаться доходным. Более того, есть регионы, где приход солнечной радиации зимой даже больше, чем летом (например, Дальний Восток). В любом случае, солнечные батареи позволяют экономить на платежах за электроэнергию круглый год. 

Эта статья прочитана 42967 раз(а)!

Продолжить чтение

  • 73

    Классификация солнечных фотоэлектрических электростанций — Автономные, соединенные с сетью, резервные. Солнечные батареи в системах электроснабжения.
  • 69

    Фотоэлектрические комплекты: Состав Для того, чтобы использовать солнечную энергию для питания ваших потребителей, одной солнечной батареи недостаточно. Кроме солнечной батареи нужно еще несколько составляющих. Типичный состав автономного фотоэлектрического комплекта следующий: фотоэлектрическая батарея контроллер заряда аккумуляторной батареи аккумуляторная батарея провода, коннекторы,…
  • 64

    Преимущества использования солнечных батарей в автономных и резервных системах электроснабжения Очень часто приходится сталкиваться с мнением, что применять солнечные батареи нецелесообразно, что они дороги и не окупаются. Многие думают, что гораздо легче поставить бензогенератор, который будет обеспечивать энергией ваш дом.…
  • 62

    Автономные фотоэлектрические энергосистемы Типы фотоэлектрических систем описаны на странице Фотоэлектрические системы. Рассмотрим более подробно один из видов — автономную ФЭС. Наиболее простая солнечная электростанция имеет на выходе низкое напряжение постоянного тока (обычно 12 или 24В). Такие системы применяются для обеспечения…
  • 60

    Есть ли выгода от приобретения солнечных батарей? Узнайте, когда ваши вложения окупятся и начнут приносить прибыль Автор: Каргиев В.М., к.т.н. Ссылка на источник при перепечатке обязательна. Солнечные батареи часто рекламируются как способ сэкономить электроэнергию и сократить счета на электричество. Это…
  • 57

    Влияние препятствий солнечным лучам на выработку энергии солнечными панелями Только малая доля солнечного излучения достигает поверхности земли 1.прямая  2.поглощение   3.отражение  4.непрямая Солнечный свет проходит свой путь от Солнца до Земли по прямой линии. Когда он достигает атмосферы, часть свет а преломляется, а…

Солнечная электростанция на дом 200 м2 своими руками / Хабр

Частенько в сети проскакивают сообщения о борьбе за экологию, развитие альтернативных источников энергии. Иногда даже проводят репортажи о том, как в заброшенной деревне сделали солнечную электростанцию, чтобы местные жители могли пользоваться благами цивилизации не 2-3 часа в сутки, пока работает генератор, а постоянно. Но это всё как-то далеко от нашей жизни, поэтому я решил на своем примере показать и рассказать, как устроена и как работает солнечная электростанция для частного дома. Расскажу обо всех этапах: от идеи до включения всех приборов, а также поделюсь опытом эксплуатации. Статья получится немаленькая, поэтому кто не любит много букв могут посмотреть ролик. Там я постарался рассказать то же самое, но будет видно, как я все это сам собираю.


Исходные данные: частный дом площадью около 200 м2 подключен к электросетям. Трехфазный ввод, суммарной мощностью 15 кВт. В доме стандартный набор электроприборов: холодильник, телевизоры, компьютеры, стиральные и посудомоечные машинки и так далее. Стабильностью электросеть не отличается: зафиксированный мною рекорд — отключение 6 дней подряд на период от 2 до 8 часов.

Что хочется получить: забыть о перебоях электроэнергии и пользоваться электричеством, невзирая ни на что.

Какие могут быть бонусы: Максимально использовать энергию солнца, чтобы дом приоритетно питался солнечной энергией, а недостаток добирал из сети. Как бонус, после принятия закона о продаже частными лицами электроэнергии в сеть, начать компенсировать часть своих затрат, продавая излишки выработки в общую электросеть.

С чего начать?

Всегда есть минимум два пути для решения любой задачи: учиться самому или поручить решение задачи кому-то другому. Первый вариант предполагает изучение теоретических материалов, чтение форумов, общение с владельцами солнечных электростанций, борьбу с внутренне жабой и, наконец, покупку оборудования, а после — установку. Второй вариант: позвонить в специализированную фирму, где зададут много вопросов, подберут и продадут нужное оборудование, а могут и установить за отдельные деньги. Я решил совместить эти два способа. Отчасти потому что мне это интересно, а отчасти для того, чтобы не напороться на продавцов, которым надо просто заработать, продав не совсем то, что мне нужно. Теперь пришло время теории, чтобы понять, как я делал выбор.

На фото пример «освоения» денег на строительство солнечной электростанции. Обратите внимание, солнечные панели установлены ЗА деревом – таким образом, свет на них не попадает, и они просто не работают.

Типы солнечных электростанций


Сразу отмечу, что говорить я буду не о промышленных решениях и не о сверхмощных системах, а об обычной потребительской солнечной электростанции для небольшого дома. Я не олигарх, чтобы разбрасываться деньгами, но я придерживаюсь принципа достаточной разумности. То есть я не хочу греть бассейн «солнечным» электричеством или заряжать электромобиль, которого у меня нет, но я хочу, чтобы в моем доме все приборы постоянно работали, без оглядки на электросети.

Теперь расскажу про типы солнечных электростанций для частного дома. По большому счету, их всего три, но бывают вариации. Расположу, по росту стоимости каждой системы.

Сетевая Солнечная Электростанция — этот тип электростанции сочетает в себе невысокую стоимость и максимальную простоту эксплуатации. Состоит всего из двух элементов: солнечных панелей и сетевого инвертора. Электричество от солнечных панелей напрямую преобразуется в 220В/380В в доме и потребляется домашними энергосистемами. Но есть существенный недостаток: для работы ССЭ необходима опорная сеть. В случае отключения внешней электросети, солнечные батареи превратятся в «тыкву» и перестанут выдавать электричество, так как для функционирования сетевого инвертора нужна опорная сеть, то есть само наличие электричества. Кроме того, со сложившейся инфраструктурой электросети, работа сетевого инвертора не очень выгодна. Пример: у вас солнечная электростанция на 3 кВт, а дом потребляет 1 кВт. Излишки будут «перетекать» в сеть, а обычные счетчики считают энергию «по модулю», то есть отданную в сеть энергию счетчик посчитает, как потребленную, и за нее еще придется заплатить. Тут логично подходит вопрос: куда девать лишнюю энергию и как этого избежать? Переходим ко второму типу солнечных электростанций.

Гибридная Солнечная Электростанция – этот тип электростанции сочетает в себе достоинства сетевой и автономной электростанции. Состоит из 4 элементов: солнечные панели, солнечный контроллер, аккумуляторы и гибридный инвертор. Основа всего – это гибридный инвертор, который способен в потребляемую от внешней сети энергии подмешивать энергию, выработанную солнечными панелями. Более того, хорошие инверторы имеют возможность настройки приоритезации потребляемой энергии. В идеале, дом должен потреблять сначала энергию от солнечных панелей и только при ее недостатке, добирать из внешней сети. В случае исчезновения внешней сети инвертор переходит в автономную работу и пользуется энергией от солнечных панелей и энергией, запасенной в аккумуляторах. Таким образом, даже если электроэнергию отключат на продолжительное время и будет пасмурный день (или электричество отключат ночью), в доме всё будет функционировать. Но что делать, если электричества нет вообще, а жить как-то надо? Тут я перехожу к третьему типу электростанции.

Автономная Солнечная Электростанция – этот тип электростанции позволяет жить полностью независимо от внешних электросетей. Она может включать в себя больше 4 стандартных элементов: солнечные панели, солнечный контроллер, АКБ, инвертор.

Дополнительно к этому, а иногда вместо солнечных панелей, может быть установлена ГидроЭлектроСтанция малой мощности, ветряная электростанция, генератор (дизельный, газовый или бензиновый). Как правило, на таких объектах присутствует генератор, поскольку может не быть солнца и ветра, а запас энергии в аккумуляторах не бесконечен – в этом случае генератор запускается и обеспечивает энергией весь объект, попутно заряжая АКБ. Такая электростанция легко трансформируется в гибридную, при подключении внешней электросети, если инвертор обладает этими функциями. Основное отличие автономного инвертора от гибридного – это то, что он не умеет подмешивать энергию от солнечных панелей к энергии из внешней сети. При этом гибридный инвертор, наоборот, умеет работать в качестве автономного, если внешняя сеть будет отключена. Как правило, гибридные инверторы соразмерны по цене с полностью автономными, а если и отличаются, то несущественно.

Что такое солнечный контроллер?


Во всех типах солнечных электростанций присутствует солнечный контроллер. Даже в сетевой солнечной электростанции он есть, просто входит в состав сетевого инвертора. Да и многие гибридные инверторы выпускаются с солнечными контроллерами на борту. Что же это такое и для чего он нужен? Буду говорить о гибридной и автономной солнечной электростанции, поскольку это как раз мой случай, а с устройством сетевого инвертора могу ознакомить детальнее в комментариях, если будут запросы в комментариях.

Солнечный контроллер – это устройство, которое полученную от солнечных панелей энергию преобразует в перевариваемую инвертором энергию. Например, солнечные панели изготавливаются с напряжением кратно 12В. И АКБ изготавливаются кратно 12В, так уж повелось. Простые системы на 1-2 кВт мощности работают от 12В. Производительные системы на 2-3 кВт уже функционируют от 24В, а мощные системы на 4-5 кВт и более работают на 48В. Сейчас я буду рассматривать только «домашние» системы, потому что знаю, что есть инверторы, работающие на напряжениях в несколько сотен вольт, но для дома это уже опасно.

Итак, допустим у нас есть система на 48В и солнечные панели на 36В (панель собрана кратно 3х12В). Как получить искомые 48В для работы инвертора? Конечно, к инвертору подключаются АКБ на 48В, а к этим аккумуляторам подключается солнечный контроллер с одной стороны и солнечные панели с другой. Солнечные панели собираются на заведомо большее напряжение, чтобы суметь зарядить АКБ. Солнечный контроллер, получая заведомо большее напряжение с солнечных панелей, трансформирует это напряжение до нужной величины и передает в АКБ. Это упрощенно. Есть контроллеры, которые могут со 150-200 В от солнечных панелей понижать до 12 В аккумуляторов, но тут протекают очень большие токи и контроллер работает с худшим КПД. Идеальный случай, когда напряжение с солнечных панелей вдвое больше напряжения на АКБ.

Солнечных контроллеров существует два типа: PWM (ШИМ – Широтно-Импульсная Модуляция) и MPPT (Maximum Power Point Tracking – отслеживание точки максимальной мощности). Принципиальная разница между ними в том, что ШИМ-контроллер может работать только со сборками панелей, не превышающими напряжения АКБ. MPPT – контроллер может работать с заметным превышением напряжения относительно АКБ. Кроме того, MPPT-контроллеры обладают заметно бОльшим КПД, но и стоят дороже.

Как выбрать солнечные панели?


На первый взгляд, все солнечные панели одинаковы: ячейки солнечных элементов соединены между собой шинками, а на задней стороне есть два провода: плюс и минус. Но есть в этом деле масса нюансов. Солнечные панели бывают из разных элементов: аморфных, поликристаллических, монокристаллических. Я не буду агитировать за тот или иной тип элементов. Скажу просто, что сам предпочитаю монокристаллические солнечные панели. Но и это не всё. Каждая солнечная батарея – это четырехслойный пирог: стекло, прозрачная EVA-пленка, солнечный элемент, герметизирующая пленка. И вот тут каждый этап крайне важен. Стекло подходит не любое, а со специальной фактурой, которое снижает отражение света и преломляет падающий под углом свет таким образом, чтобы элементы были максимально освещены, ведь от количества света зависит количество выработанной энергии. От прозрачности EVA-пленки зависит, сколько энергии попадет на элемент и сколько энергии выработает панель. Если пленка окажется бракованной и со временем помутнеет, то и выработка заметно упадет.

Далее идут сами элементы, и они распределяются по типам, в зависимости от качества: Grade A, B, C, D и далее. Конечно, лучше иметь элементы качества А и хорошую пайку, ведь при плохом контакте, элемент будет греться и быстрее выйдет из строя. Ну и финишная пленка должна также быть качественной и обеспечивать хорошую герметизацию. В случае разгерметизации панелей, очень быстро на элементы попадет влага, начнется коррозия и панель также выйдет из строя.

Как правильно выбрать солнечную панель? Основной производитель для нашей страны – это Китай, хотя на рынке присутствуют и Российские производители. Есть масса OEM-заводов, которые наклеят любой заказанный шильдик и отправят панели заказчику. А есть заводы, которые обеспечивают полный цикл производства и способны проконтролировать качество продукции на всех этапах производства. Как узнать о таких заводах и брендах? Есть пара авторитетных лабораторий, которые проводят независимые испытания солнечных панелей и открыто публикуют результаты этих испытаний. Перед покупкой вы можете вбить название и модель солнечной панели и узнать, насколько солнечная панель соответствует заявленным характеристикам. Первая лаборатория – это Калифорнийская Энергетическая Комиссия, а вторая лаборатория Европейская – TUV. Если производителя панелей в этих списках нет, то стоит задуматься о качестве. Это не значит, что панель плохая. Просто бренд может быть OEM, а завод-производитель выпускает и другие панели. В любом случае, присутствие в списках этих лабораторий уже свидетельствует о том, что вы покупаете солнечные батареи не у производителя-однодневки.

Мой выбор солнечной электростанции

Перед покупкой стоит очертить круг задач, которые ставятся перед солнечной электростанцией, чтобы не заплатить за ненужное и не переплатить за неиспользуемое. Тут я перейду к практике, как и что делал я сам. Для начала, цель и исходные: в деревне периодически отключают электроэнергию на период от получаса до 8 часов. Возможны отключения как раз в месяц, так и подряд несколько дней. Задача: обеспечить дом электроснабжением в круглосуточном режиме с некоторым ограничением потребления на период отключения внешней сети. При этом, основные системы безопасности и жизнеобеспечения должны функционировать, то есть: должны работать насосная станция, система видеонаблюдения и сигнализации, роутер, сервер и вся сетевая инфраструктура, освещение и компьютеры, холодильник. Вторично: телевизоры, развлекательные системы, электроинструмент (газонокосилка, триммер, насос для полива огорода). Можно отключить: бойлер, электрочайник, утюг и прочие греющие и много потребляющие устройства, работа которых сиюминутно не важна. Чайник можно вскипятить на газовой плите, а погладить позже.

Как правило, солнечную электростанцию можно купить в одном месте. Продавцы солнечных панелей также продают всё сопутствующее оборудование, поэтому я начал поиск отталкиваясь от солнечных батарей. Один из солидных брендов – TopRay Solar. О них есть хорошие отзывы и реальный опыт эксплуатации в России, в частности, в Краснодарском крае, где знают толк в солнце. В РФ есть официальный дистрибьютор и дилеры по регионам, на вышеозначенных сайтах с лабораториями для проверки солнечных панелей этот бренд присутствует и далеко не на последних местах, то есть можно брать. Кроме того, фирма-продавец солнечных панелей TopRay, также занимается собственным производством контроллеров и электроники для дорожной инфраструктуры: системы управления трафиком, светодиодные светофоры, мигающие знаки, солнечные контроллеры и прочее. Ради любопытства даже напросился на их производство – вполне технологично и даже есть девушки, которые знают, с какой стороны подходить к паяльнику. Бывает же!

Со своим списком хотелок я обратился к ним и попросил собрать мне пару комплектаций: подороже и подешевле для моего дома. Мне задали ряд уточняющих вопросов насчет резервируемой мощности, наличия потребителей, максимальной и постоянной потребляемой мощности. Последнее вообще оказалось для меня неожиданным: дом в режиме энергосбережения, когда работают только системы видеонаблюдения, охраны, связь с инетом и сетевая инфраструктура, потребляет 300-350 Вт. То есть даже если дома никто не пользуется электричеством, на внутренние нужды уходит до 215 кВт*ч в месяц. Вот тут и задумаешься над проведением энергетического аудита. И начнешь выключать из розеток зарядки, телевизоры и приставки, которые в режиме ожидания потребляют по чуть-чуть, а набегает прилично.
Не буду томить, остановился я на более дешевой системе, так как зачастую до половины суммы за электростанцию может занимать стоимость аккумуляторов. Список оборудования получился следующим:

  1. Солнечная батарея TopRay Solar 280 Вт Моно – 9 шт
  2. Однофазный Гибридный инвертор на 5 кВт InfiniSolar V-5K-48 – 1 шт
  3. Аккумулятор AGM Парус HML-12-100 – 4 шт

Дополнительно, мне было предложено приобрести профессиональную систему крепления солнечных панелей на крышу, но я, посмотрев фотографии, решил обойтись самодельными креплениями и тоже сэкономить. Но я решил собирать систему сам и не жалел сил и времени, а монтажники работают с этими системами постоянно и гарантируют быстрый и качественный результат. Так что решайте сами: с заводскими креплениями работать гораздо приятнее и проще, а моё решение просто дешевле.

Что даёт солнечная электростанция?


Этот комплект может выдать до 5 кВт мощности в автономном режиме – именно такой мощности я выбрал однофазный инвертор. Если докупить такой же инвертор и модуль сопряжения к нему, то можно нарастить мощность до 5кВт+5кВт=10 кВт на фазу. Или можно сделать трехфазную систему, но я пока довольствуюсь и этим. Инвертор высокочастотный, а потому достаточно легкий (порядка 15 кг) и занимает немного места – легко монтируется на стену. В него уже встроено 2 MPPT-контроллера мощностью 2,5 кВт каждый, то есть я могу добавить еще столько же панелей без покупки дополнительного оборудования.

Солнечных панелей у меня на 2520 Вт по шильдику, но из-за неоптимального угла установки они выдают меньше – максимум я видел 2400 Вт. Оптимальный угол – это перпендикулярно солнцу, что в наших широтах составляет примерно 45 градусов к горизонту. У меня панели установлены под 30 градусов.

Сборка АКБ составляет 100А*ч 48В, то есть запасено 4,8 кВт*ч, но забирать энергию полностью крайне нежелательно, поскольку тогда их ресурс заметно сокращается. Желательно разряжать такие АКБ не более, чем на 50%. Это литий-железофосфатные или литий-титанатные можно заряжать и разряжать глубоко и большими токами, а свинцово-кислотные, будь то жидкостные, гелевые или AGM лучше не насиловать. Итак, у меня есть половина емкости, а это 2,4 кВт*ч, то есть порядка 8 часов в полностью автономном режиме без солнца. Этого хватит на ночь работы всех систем и еще останется половина емкости АКБ на аварийный режим. Утром уже встанет солнце и начнет заряжать АКБ, параллельно обеспечивая дом энергией. То есть дом может функционировать и автономно в таком режиме, если снизить энергопотребление и погода будет хорошей. Для полной автономии можно было бы добавить еще аккумуляторов и генератор. Ведь зимой солнца совсем мало и без генератора будет не обойтись.

Начинаю собирать


Перед покупкой и сборкой необходимо просчитать всю систему, чтобы не ошибиться с расположением всех систем и прокладкой кабелей. От солнечных панелей до инвертора у меня порядка 25-30 метров и я заранее проложил два гибких провода сечением 6 кв.мм, так как по ним будет передаваться напряжение до 100В и ток 25-30А. Такой запас по сечению был выбран, чтобы минимизировать потери на проводе и максимально доставить энергию до приборов. Сами солнечные панели я монтировал на самодельные направляющие из алюминиевых уголков и притягивал их самодельными же креплениями. Чтобы панель не сползала вниз, на алюминиевом уголке напротив каждой панели смотрит вверх пара 30мм болтов, и они являются своеобразным «крючком» для панелей. После монтажа их не видно, но они продолжают нести нагрузку.

Солнечные панели были собраны в три блока по 3 панели в каждом. В блоках панели подключаются последовательно — так напряжение удалось поднять до 115В без нагрузки и снизить ток, а значит можно выбрать провода меньшего сечения. Блоки между собой подключены параллельно специальными коннекторами, обеспечивающими хороший контакт и герметичность соединения – называются MC4. Их же я использовал для подключения проводов к солнечному контроллеру, так как они обеспечивают надежный контакт и быстрое замыкание\размыкание цепи для обслуживания.

Далее переходим к монтажу в доме. АКБ предварительно заряжены «умной» автомобильной зарядкой, чтобы выровнять напряжение и подключены последовательно для обеспечения напряжения 48В. Далее, они подключены к инвертору кабелем с сечением 25 мм кв. Кстати, во время первого подключения АКБ к инвертору будет заметная искра на контактах. Если вы не спутали полярность, то всё нормально – в инверторе установлены довольно емкие конденсаторы и они начинают заряжаться в момент подключения к аккумуляторам. Максимальная мощность инвертора – 5000 Вт, а значит ток, который может проходить по проводу от АКБ будет составлять 100-110А. Выбранного кабеля хватает для безопасной эксплуатации. После подключения АКБ, можно подключать внешнюю сеть и нагрузку дома. К клеммным колодкам цепляются провода: фаза, ноль, заземление. Тут всё просто и наглядно, но если для вас починить розетку небезопасно, то подключение этой системы лучше доверить опытным электромонтажникам. Ну и последним элементом подключаю солнечные панели: тут тоже надо быть внимательным и не перепутать полярность. При мощности в 2,5 кВт и неправильном подключении, солнечный контроллер сгорит моментально. Да что там говорить: при такой мощности, от солнечных панелей можно заниматься сваркой напрямую, без сварочного инвертора. Здоровья это солнечным панелям не добавит, но мощь солнца действительно велика. Так как я дополнительно использую разъемы MC4, перепутать полярность просто невозможно при первоначальном правильном монтаже.

Всё подключено, один щелчок выключателя и инвертор переходит в режим настройки: тут надо выставить тип АКБ, режим работы, зарядные токи и прочее. Для этого есть вполне понятная инструкция и если вы можете справиться с настройкой роутера, то настройка инвертора тоже не будет очень сложной. Надо только знать параметры АКБ и правильно их настроить, чтобы они прослужили как можно дольше. После этого, хм… После этого наступает самое интересное.

Эксплуатация гибридной солнечной электростанции


После запуска солнечной электростанции, я и моя семья пересмотрели многие привычки. Например, если раньше стирка или посудомоечная машина запускались после 23 часов, когда работал ночной тариф в электросетях, то теперь эти энергозатратные работы перенесены на день, потому что стиралка потребляет 500-2100 Вт во время работы, посудомоечная машина потребляет 400-2100 Вт. Почему такой разброс? Потому что насосы и моторы потребляют немного, а вот нагреватели воды крайне прожорливы. Гладить оказалось тоже «выгоднее» и приятнее днем: в комнате гораздо светлее, а энергия солнца полностью покрывает потребление утюга. На скриншоте продемонстрирован график выработки энергии солнечной электростанцией. Хорошо виден утренний пик, когда работала стиральная машинка и потребляла много энергии – эта энергия была выработана солнечными панелями.

Первые дни я по несколько раз подходил к инвертору, взглянуть на экран выработки и потребления. После поставил утилиту на домашний сервер, который в реальном времени отображает режим работы инвертора и все параметры электросети. К примеру, на скриншоте видно, что дом потребляет больше 2 кВт энергии (пункт AC output active power) и вся эта энергия заимствуется от солнечных батарей (пункт PV1 input power). То есть инвертор, работая в гибридном режиме с приоритетом питания от солнца, полностью покрывает энергопотребление приборов за счет солнца. Это ли не счастье? Каждый день в таблице появлялся новый столбик выработки энергии и это не могло не радовать. А когда во всей деревне отключили электричество, я узнал об этом только по писку инвертора, который оповещал о работе в автономном режиме. Для всего дома это означало только одно: живем как прежде, пока соседи ходят за водой с ведрами.

Но есть в наличии дома солнечной электростанции и нюансы:

  1. Я начал замечать, что птицы любят солнечные панели и, пролетая над ними, не могут сдержаться от счастья наличия технологичного оборудования в деревне. То есть иногда всё же солнечные панели надо мыть от следов и пыли. Думаю, что при установке под 45 градусов, все следы просто смывались бы дождями. Выработка от нескольких птичьих следов вообще не падает, но если затенена часть панели, то падение выработки становится ощутимым. Это я заметил, когда солнце пошло к закату и тень от крыши начала накрывать панели одну за другой. То есть лучше располагать панели вдали от всех конструкций, способных их затенить. Но даже вечером, при рассеянном свете, панели выдавали несколько сотен ватт.
  2. При большой мощности солнечных панелей и подкачке от 700 Ватт и более, инвертор включает вентиляторы активнее и их становится слышно, если дверь в техническое помещение открыта. Тут либо закрывать дверь, либо крепить инвертор на стену через демпфирующие прокладки. В принципе, ничего неожиданного: любая электроника греется при работе. Просто надо учитывать, что инвертор не стоит вешать там, где он может мешать звуком своей работы.
  3. Фирменное приложение умеет отправлять оповещения по электронной почте или в SMS, если произошло какое-либо событие: включение/отключение внешней сети, разряд АКБ и подобное. Вот только приложение работает по незащищенному 25 порту SMTP, а все современные почтовые сервисы, вроде gmail.com или mail.ru работают по защищенному порту 465. То есть сейчас, фактически, оповещения по почте не приходят, а хотелось бы.

Не сказать, что эти пункты как-то огорчают, ведь всегда надо стремиться к совершенству, но имеющаяся энергонезависимость того стоит.

Заключение


Полагаю, что это не последний мой рассказ о собственной солнечной электростанции. Опыт эксплуатации в различных режимах и в разное время года однозначно будет отличаться, но я точно знаю, что даже если в Новый Год отключат электричество, в моём доме будет светло. По результатам эксплуатации установленной солнечной электростанции могу отметить, что оно того стоило. Несколько отключений внешней сети прошли незаметно. О нескольких я узнал только по звонкам соседей с вопросом «У тебя тоже нет света?». Бегущие цифры выработки электричества безмерно радуют, а возможность убрать от компа UPS зная, что даже при отключении электроэнергии всё продолжит работать – это приятно. Ну а когда у нас наконец-то примут закон о возможности продажи электроэнергии частными лицами в сеть, я первый подам заявку на эту функцию, ведь в инверторе достаточно изменить один пункт и всю выработанную, но не потребленную домом энергию, я буду продавать в сеть и получать за это деньги. В общем, это оказалось довольно просто, эффективно и удобно. Готов ответить на ваши вопросы и выдержать натиск критиков, убеждающих всех, что в наших широтах солнечная электростанция – это игрушка.

Принцип работы солнечных батарей: как устроена и из чего состоит? | Альтернатива24

Еще не так давно автономная система снабжения дома электричеством была чем-то фантастическим. С развитием альтернативных источников энергии это стало реальностью. Сегодня в европейских странах широко используются солнечные панели, и это неудивительно, ведь они являются неисчерпаемым источником недорогой энергии. В нашей стране такие батареи только начинают набирать популярность. Процесс протекает медленно, что связано с высокой стоимостью системы.

Солнечная батарея: устройство, принцип работы

Альтернативная энергетика имеет множество нюансов, поэтому начинающим пользователям важно разобраться в терминологии. Важно понимать, что солнечные батареи и коллекторы, работающие от солнца, являются разными устройствами. Так, батареи создавались для преобразования излучения главного светила в электричество, а коллекторы используются для трансформации энергии Солнца в тепло.

Под словом «батарея», как правило, понимают устройство, накапливающее выработанную электрическую энергию. Однако важно понимать, альтернативные системы не создавались для накопления энергии солнца. Эти устройства предназначены только для выработки электричества. Ток для обеспечения дома собирается в аккумуляторных батареях, которые являются обязательным элементом энергоснабжающей системы.

Солнечная батарея является совокупностью компонентов одного типа, соединенных в единую систему. Сегодня эти устройства становятся доступными широкому потребителю, появляются новые модели, демонстрирующие высокую эффективность. Подобные батареи обеспечивают необходимой энергией не только высокотехнологичные объекты, такие как космические станции или спутники. Их применение позволяет обеспечить работу бытовых приборов, автотранспорта, дома. Сегодня такие батареи нашли широкое применение, их используют для строительства полноценных электрических станции, способных вырабатывать большие объемы энергии.

Отвечая на вопрос, что представляет собой солнечная батарея какое у нее внутреннее устройство, кратко можно описать ее, как блок, состоящий из ряда модулей, объединенных с помощью полупроводников в определенной последовательности.

Основные виды солнечных панелей

Фотоэлементы, в основе которых лежат разные виды химических элементов, сегодня находятся в стадии разработки, что говорит о том, что альтернативная энергетика развивается стремительными темпами. Сегодня крупными производителями выпускаются фотоэлементы, для изготовления которых используется кремний.

Главным блоком солнечного модуля является тончайшая пластина из двух кремниевых слоев. Каждый слой обладает уникальными физическими характеристиками. Технология изготовления делит фотоэлементы для альтернативных электростанций на:

· монокристаллические модули;

· поликристаллические блоки.

Монокристаллические модули демонстрируют высокий коэффициент полезного действия, если сравнивать с поликристаллическими моделями.

Внешне эти два вида панелей можно отличить по разной форме. Монокристаллические модули имеют однородную структуру и выпускаются в форме квадрата с усеченными углами. Поликристаллические фотоэлементы выпускаются в форме обычного квадрата.

Процесс изготовления поликристаллов предусматривает плавление кремния и его последующее постепенное охлаждение. Данный способ изготовления элементов простой, не требующих больших материальных затрат, что позволяет выпускать недорогие системы. Однако такие модели имеют относительно невысокий показатель производительности.

Монокристаллы изготавливаются из цельного кристалла кремния, выращиваемого в искусственных условиях. КПД таких панелей, в сравнении с поликристаллами, гораздо выше и достигает показателя в 20-22 процентов.

Попадая на поверхность фотоэлементов, лучи солнца генерируются и, проходя «p-n» переход одного полупроводникового слоя в другой, образуют напряжение в цепи. Подключение к аккумулятору создает замкнутое кольцо. В результате, панель начинает работать, как колесо, где вместо белки бегают электроны.

Как повысить результаты работы солнечных панелей

Установка одного модуля позволит даже в условиях ясной погоды обеспечить нужным количеством энергии мелкую технику. Для повышения мощности используются несколько батарей, объединенных параллельной схемой. Такой подход позволяет увеличить значение постоянного тока.

Насколько эффективным будет использование солнечных батарей, зависит от следующих факторов:

· температуры модуля и воздуха;

· правильность подбора сопротивления нагрузке;

· угла падения лучей;

· мощности потока света;

· наличия на поверхности модуля антибликового покрытия.

Стоит отметить, что фотоэлементы работают эффективнее при невысоких температурных значениях. При расчете нагрузки важно учитывать погодные факторы той местности, где устанавливается электростанция.

Для повышения эффективности солнечных панелей приходится постоянно следить за многими параметрами, чтобы вовремя вносить коррективы в ручном режиме. Поскольку такой подход требует много времени, современные пользователи могут воспользоваться таким устройством, как контроллер управления. Он в автоматическом режиме выполняет настройки солнечных панелей, добиваясь оптимальных условий ее работы, максимального показателя производительности.

Как добиться высокой эффективности? Одним из основных факторов, влияющих на продуктивность альтернативной станции, является угол падения лучей Солнца на поверхность панелей. Оптимальным показателем принято считать попадание лучей под прямым углом. Эффективной работа станции будет, если отклонение этого показателя будет находиться в пределах не более 30 градусов от прямого угла. Увеличение этого параметра приведет к существенному снижению коэффициента полезной деятельности модулей. Чтобы станция вырабатывала максимальное количество энергии, при установке панели важно ориентировать под прямым углом к лучам Солнца.

Еще одним немаловажным фактором, который существенно влияет на уровень производительности солнечных батарей, являются пыль и загрязнения. Скапливаясь на поверхности панелей, они создают преграду и не пропускают лучи, что не дает системе преобразовывать энергию Солнца в электричество. Регулярный уход позволит не допускать скапливания пыли, а значит, повысит уровень производительности работы панелей.

Некоторые виды панелей оснащены для концентрации солнечного излучения на поверхности фотоэлементов линзами. Если погодные условия благоприятные, погода ясная, это повысит КПД до максимальной отметки. При пасмурной погоде линзы могут только навредить. Если стандартная батарея, пусть и в меньших количествах, при пасмурной погоде продолжит генерировать электроэнергию, то линзовые модели могут прекратить работу. Поэтому, чтобы обеспечить максимальную эффективность работы станции ее блоки должны быть равномерно освещены.

Источник: https://eco-energetics.com/solar-energy/printsip-raboty-solnechnyh-batarei#/

краткое описание, способы монтажа, принцип работы, отзывы

Еще недавно использование солнечного света в качестве замены традиционных энергоносителей воспринималось как нечто фантастическое или возможное только в особых условиях. Сегодня подобные решения не выглядят невероятными, но также сохраняются и проблемы их реализации на практике для рядовых потребителей. Сам по себе монтаж солнечных батарей на крышу достаточно прост и оптимизирован, однако это не отменяет сложностей в организации работы таких аккумуляторов.

Базовый комплект системы

В рабочую инфраструктуру солнечного генератора входит аккумуляторная станция, инверторный блок, преобразователь энергии, контроллер и управляющая аппаратура, непосредственно панели с фотоэлементами и монтажно-соединительная фурнитура. Каждый компонент может быть представлен разными устройствами, отличающимися по технико-эксплуатационным характеристикам. Например, небольшой жилой дом с солнечными батареями на крыше обеспечивается мощностью 1,5-2 кВт. Надо отметить, что существуют и комплексные, и локальные станции, которые могут обслуживать разные группы потребителей. Мощные аккумуляторы вырабатывают достаточно энергии для покрытия всех нужд в электроэнергии – от уличного фонаря до отопительного котла. Для дачи предназначены менее производительные системы, хотя на участках нередко используется энергозатратное оборудование в виде насосных станций и рабочей силовой техники.

Принцип работы солнечных аккумуляторов

Наиболее выдающейся и заметной частью солнечной электростанции является панель преобразователя. Существуют разные технологии ее изготовления вплоть до того, что производители разрабатывают секретные рецептуры фотокристаллических наполнителей. К стандартным устройствам можно отнести панель из кремния с покрытиями на основе бора и фосфора. Это может быть как одиночная пластина, так и комбинированная – из двух и более элементов. В разных слоях покрытия есть активные электроны, которые под влиянием света запускают движение частиц, провоцирующее выработку тока.

Аккумуляцию полученной энергии обеспечивают связанные с панелями медные полоски. Они могут передавать ток или накопителям энергии, или напрямую потребителям, к примеру, находящейся на участке светотехнике. Чтобы солнечные батареи на крыше принимали наиболее выгодное положение относительно поступления лучей, в конструкции предусматривается и автоматика. Благодаря тепловым датчикам она реагирует на свет и направляет панели в сторону солнца.

Выбор места для установки

В целях изначального повышения производительности системы желательно продумать оптимальное место размещения панелей на крыше. Руководствоваться следует следующими правилами:

  • Учет падения тени. Если зона установки большую часть дневного времени находится под тенью высокого дерева – разумеется, КПД будет крайне низким и не позволит окупить даже стоимость обслуживания модуля. Поэтому подбирается наиболее открытая солнечным лучам зона.
  • Правильная ориентация панелей. Даже если в конструкции предусмотрена система автоповорота, желательно изначально выбирать позицию, которая будет наиболее выигрышна с точки зрения падения ярких солнечных лучей на фотоэлементы.
  • Расчет по наклону. Распространенной ошибкой в монтаже панелей является их расположение под углом, соответствующим скату. Иными словами, конструкция просто укладывается на скат без каких-либо коррекций. Это в корне неверный подход, поскольку углы скатов (30-45 градусов) могут не соответствовать наклону, который будет наиболее выигрышным в конкретном регионе. Специалисты рекомендуют выполнять установку солнечных батарей на крыше под наклоном, равным географической широте местного региона. То есть угол будет соответствовать градусу широты.
  • Определение доступности. Эксплуатация панелей будет сопряжена с регулярным уходом и технической поддержкой конструкции. Поэтому заранее оценивается и физическая доступность к панелям на крыше.

Варианты создания несущей базы

Для установки панелей рекомендуется монтировать силовой блок, на котором будет зафиксирован каркас фотоэлементов. Такую конструкцию можно изготовить в домашних условиях. Потребуется металлический уголок и крепежные элементы. Соединения желательно выполнять сваркой – опять же с помощью инвертора стыки сформирует даже неопытный домашний мастер. Самое главное — правильно рассчитать базу по размерам и весу, чтобы она не проломила кровельное покрытие и в принципе позволяла выполнить надежную фиксацию. Сложность крепления солнечных батарей на крыше заключается в монтаже несущей платформы к стропильной системе. Дело в том, что фиксация как таковая выполняется не к элементам кровли, а к балкам крыши в подкровельном пространстве.

Со стороны чердачного помещения выполняется прочный силовой каркас, на базе которого будет закреплена сваренная профильная конструкция. Лучше всего применить болтовые соединения, чтобы в любой момент установку можно было отсоединить. Для этого заранее просчитываются отверстия, формируется конфигурация взаимной компоновки и т. д. Очевидно, что потребуется создавать технологический проем и в кровельном покрытии.

Процесс монтажа солнечных батарей на крыше

Каждая панель с фотоэлементами заключается в металлический профильный каркас. Изготовители изначально продумывают конфигурацию будущего крепления, оставляя зазоры и отверстия для фиксации. На этапе установки панелей должна быть подготовлена соответствующая крепежная оснастка и на несущей платформе.

Кроме того, необходимо подготовить демпфирующий и изолирующий материалы. Они позволят уберечь систему крепления от коррозийного повреждения и сильных вибраций от ветровой нагрузки. Это своего рода подкладки между несущей конструкцией и панелями. Далее выполняется установка солнечных батарей на крыше в выбранной точке – посредством метизов через технологические отверстия корпус панели прикручивается к металлическим профилям. При возможности стоит использовать регулируемые или шарнирные фиксаторы для регулировки положения панелей.

Электротехнические мероприятия

Не менее ответственный этап, на котором организуется сетевая разводка и подключение оборудования. Возможны разные способы решения этих задач, но самым надежным считается метод автономного подключения солнечных батарей на крыше с независимым источником питания. Панели с преобразователем и аккумулирующими блоками вводятся в систему автономного энергоснабжения. Для этого потребуются генераторы небольшой мощностью порядка 500 Вт с бытовым напряжением до 220 В.

Проводка выполняется с помощью стандартного кабеля типа витой пары с толстым слоем изоляции, предусматривающим эксплуатацию на улице. Все соединения аппаратуры производятся с помощью электротехнических контакторов – как правило, они входят в комплект с солнечными панелями. Как альтернативное решение можно подумать и о возможности подключения к центральной электросети, но тогда не получится использовать электростанцию в качестве резервного источника питания.

Интеграция мансардных окон на солнечных панелях

Оптимизированный по конструкции вариант солнечной батареи, который исключает необходимость выполнения специальных монтажных мероприятий. Панель уже встроена в мансардное окно, поэтому требуется только установка рамной конструкции. При желании панель можно изъять из несущего корпуса и оставить одно окно с жалюзи или другой защитной фурнитурой.

Некоторые производители предлагают установку солнечных батарей на крыше дома в уже готовые мансардные окна. То есть панель проектируется и изготавливается специально под размеры имеющегося проема с учетом характеристик рамы. Далее остается лишь выполнить несколько отверстий в конструкции оконного блока и закрепить болтами панель. Для подключения кабеля создается небольшой канал с трассой проводки, ведущий в чердачное помещение или мансарду. Здесь же, к слову, может располагаться аккумулирующая и преобразующая энергию аппаратура.

Общие рекомендации по рабочему процессу

Перед началом работ следует набросать примерный план размещения конструкции – это позволит не только определиться с оптимальным способом крепления, но и минимизировать возможные просчеты инсталляции. Также следует учитывать советы изготовителей по креплению солнечных батарей на крышу здания. Например, в инструкциях часто отмечают необходимость сохранения зазора между поверхностью корпуса панели и кровельным покрытием. В целях оптимального распределения энергии по всей зоне фотоэлементов также рекомендуется располагать прямоугольные панели по горизонтали – то есть длинной стороной вдоль карниза.

Эксплуатация системы

Наилучший способ управления системой – через автоматику. Современные бытовые электростанции на солнечных элементах позволяют с помощью дистанционного пульта управления программировать работу и непосредственно панелей, и аккумулирующего оборудования. Но это не значит, что не потребуется физического обслуживания. Периодически необходимо проверять состояние солнечных батарей. На крыше частного дома целесообразно предусмотреть небольшую техническую площадку с набором необходимых инструментов и расходных материалов. Время от времени должны будут выполняться регулирующие операции, осмотр фотоэлементов, чистка конструкции и смена расходных деталей при необходимости.

Отзывы о солнечных батареях

В России пока не так много частных домовладельцев, которые испытали возможности солнечных аккумуляторов. Тем не менее впечатления от первого знакомства с данным источником энергии по большей части положительные. Даже относительно небольшое покрытие объемов требуемой энергии вызывает положительные отклики. Пользователи отмечают широкие возможности накопления и распределения энергии с последующим рациональным использованием ее в соответствии с запросами.

С другой стороны, многие из тех, кто установил солнечную батарею на крыше своего дома, отмечают сложности с обслуживанием и дороговизну расходных материалов. По-прежнему высокая стоимость оборудования остается главным препятствием в распространении солнечных батарей.

Заключение

Несмотря на очевидную пользу от освоения альтернативных источников энергии, все еще остаются проблемы их использования на уровне массового потребителя. Это не только технические нюансы, с которыми сталкиваются пользователи, но и концептуальные особенности выработки энергии. Например, установка солнечных батарей на крыше в частных загородных домах может себя оправдать лишь в теплых регионах, где наблюдаются высокие показатели так называемой инсоляции. Это мера солнечной энергии, которая поступает на землю с лучами света. И она совсем не одинакова на юго-западе и северо-востоке страны, в частности. Также специалисты рекомендуют брать во внимание соотношение между требуемой энергией и потенциально генерируемой солнечными аккумуляторами. Не исключено, что даже в условиях благоприятных показателей инсоляции определенные характеристики панелей просто не позволят добиться положительного эффекта экономии энергии.

Принцип работы солнечной панели

— руководство по электрике

Привет, друзья, в этой статье я собираюсь обсудить принцип работы солнечной панели и надеюсь, что вам понравятся мои усилия.

В солнечной фотоэлектрической системе солнечная энергия напрямую преобразуется в электрическую. Это делает систему гораздо более удобной и компактной по сравнению с тепловыми методами преобразования солнечной энергии.

Технология солнечных батарей является самой быстрорастущей технологией производства электроэнергии в мире.Это связано с тем, что становятся доступными солнечные элементы с эффективностью преобразования более 40%.

 
Фотогальванический элемент также называют солнечным элементом. Это полупроводниковое устройство, которое преобразует солнечный свет в энергию постоянного тока с помощью фотоэлектрического эффекта. Практически все солнечные элементы представляют собой фотодиоды, изготовленные из полупроводникового материала, такого как кремний. Солнечная батарея работает в три этапа:

  • Фотоны солнечного света попадают на солнечный элемент и поглощаются полупроводниковым материалом.
  • Отрицательно заряженные электроны отрываются от своих атомов и начинают течь в том же направлении, создавая электрический ток.
  • Типичный кремниевый солнечный элемент может выдавать до 0,5 В и ток до 6 А. Таким образом, его максимальная мощность составляет 3 Вт.

Поскольку выходная мощность одного солнечного элемента очень мала, большое количество солнечных элементов соединяются между собой, образуя солнечный модуль, комбинация солнечных модулей называется панелью, а комбинация панелей называется солнечной батареей. Это делается для получения необходимой выходной мощности фотоэлектрической системы.

Когда солнечные элементы соединены последовательно, их напряжение увеличивается настолько, насколько число элементов соединено последовательно. Но ток остается прежним.
 
Когда ячейки соединены параллельно, напряжение остается постоянным, как и у одной ячейки, но ток увеличивается. Ячейки, модули или панели могут быть соединены параллельно, только если их напряжения одинаковы. Основные компоненты солнечной фотоэлектрической системы:
 

Блокировочные диоды

 
Массивы SPV подключены к аккумулятору.В солнечные часы панели вырабатывают электричество, которое заряжает аккумулятор. Но когда нет солнечного света или ночью ток будет пытаться течь в обратном направлении, то есть от батареи к массивам. Это может повредить массивы. Поэтому, чтобы избежать этого обратного потока тока, используются блокировочные диоды.
 

Регулятор напряжения

 
Выходное напряжение фотоэлектрических панелей зависит от интенсивности солнечного света. Это приведет к колебаниям тока нагрузки.Регуляторы напряжения обеспечивают удержание колебаний напряжения в установленных пределах.
 

Инвертор

 
Поскольку мощность, производимая фотоэлектрической батареей, представляет собой постоянный ток, инвертор используется для преобразования ее в мощность переменного тока, чтобы мы могли легко ее использовать. Инверторный блок, оснащенный различными защитными устройствами, обеспечивает безопасность системы и выполняет автоматическое переключение нагрузки и имеющихся источников питания.
 

Аккумуляторы

 
Используются для хранения солнечной энергии.Они являются наиболее важными компонентами солнечной фотоэлектрической системы. Успех солнечной фотоэлектрической системы во многом зависит от системы хранения аккумуляторов.
 

Контроллеры батарей

 
Это устройства, обеспечивающие правильную зарядку аккумуляторов. Они контролируют зарядный ток и защищают аккумулятор от перезаряда. Это делается путем постоянного контроля тока батареи, напряжения и температуры.
 

Типы солнечной фотоэлектрической системы

 
По способу использования может быть две конфигурации:

  • Автономная система
  • Система, подключенная к сети

Автономная система

 
В этой системе питание подается на нагрузку без использования какой-либо общей сети или подключения к какой-либо другой системе и работает автономно и независимо.Он используется для резервного питания, где подключение к сети очень дорого. Его можно использовать для питания нагрузок постоянного тока, а также нагрузок переменного тока с помощью инвертора.
 
Существуют различные типы автономных систем. Но чаще всего используется гибридная автономная система .

В гибридной автономной системе помимо фотоэлектрических панелей используется один или несколько источников. Такие источники, как генераторы, топливные элементы, сеть переменного тока и т. д., могут использоваться вместе с фотоэлектрическими батареями. Таким образом снижается зависимость от любого отдельного источника.Это также снижает емкость аккумулятора и размер фотоэлектрических массивов.
 

Система, подключенная к сети

 
В этой системе мощность, генерируемая фотоэлектрической батареей, передается в сеть или напрямую на нагрузки переменного тока. Когда выработка электроэнергии превышает потребность нагрузки, она подается в коммерческую сеть. Таким образом, система становится частью большой сети. В этой системе, когда мощность, производимая фотоэлектрическим массивом, превышает требования местной нагрузки, она подается в сеть. Счетчик энергии используется для контроля подаваемой энергии.
 
Спасибо за то , что прочитали о принципе работы солнечной панели .

Электростанции | Все сообщения

 

© https://yourelectricalguide.com/ принцип работы солнечной панели.

Принцип работы и разработка солнечной батареи

Теплые подсказки: В этой статье около 2600 слов, а время чтения около 15 минут.

Сводка

Из-за постоянного спроса человечества на возобновляемые источники энергии, люди посвящают себя разработке новых источников.Энергия, которую солнце излучает на поверхность Земли за 40 минут, может быть использована в течение одного года со скоростью текущего глобального потребления энергии. Разумное использование солнечной энергии будет долгосрочной стратегией развития человечества для решения энергетических проблем, а также одной из наиболее изученных исследовательских горячих точек. В этой статье будут представлены различные типы новых солнечных элементов, а также принцип и разработка солнечных элементов. При этом сравним эффективность преобразования и перспективы развития.

 


Каталог

 

 


Ⅰ Фон солнечной батареи

Энергетика — это не только базовая отрасль народного хозяйства, но и высокотехнологичная отрасль. « Безопасный, эффективный и низкоуглеродный » воплощает в себе характеристики современных энергетических технологий, а также является основным направлением для захвата командной высоты энергетических технологий будущего.

 

В настоящее время разработка новых источников энергии в основном сосредоточена на возобновляемых источниках энергии, таких как солнечная энергия, водородная энергия, энергия ветра и геотермальная энергия, среди которых ресурсы солнечной энергии многочисленны и широко распространены и являются наиболее перспективными возобновляемыми источниками энергии.В условиях глобальной нехватки энергии и загрязнения окружающей среды, таких как все более заметные, солнечная фотоэлектрическая энергетика привлекла внимание всего мира и сосредоточилась на развитии новых отраслей из-за ее экологически чистых, безопасных, удобных, эффективных и других характеристик.

 

С момента открытия французским ученым Э. Беккерелем в 1839 году фотогальванического эффекта жидкости (называемого фотогальваническим явлением) солнечный элемент претерпел долгую историю развития, насчитывающую более 160 лет.С точки зрения общего развития, как фундаментальные исследования, так и технический прогресс сыграли положительную роль в их продвижении. Практическое применение солнечных элементов сыграло решающую роль с момента успешной разработки солнечных элементов из монокристаллического кремния тремя учеными из Bell Laboratories в США, что является важной вехой в истории развития солнечных элементов. До сих пор основная структура и механизм солнечных элементов не изменились.

 

Из-за постоянного спроса человечества на возобновляемые источники энергии, люди посвящают себя разработке новых источников.Энергия, которую солнце излучает на поверхность Земли за 40 минут, может быть использована в течение одного года со скоростью текущего глобального потребления энергии. Разумное использование солнечной энергии будет долгосрочной стратегией развития человечества для решения энергетических проблем, а также одной из наиболее изученных исследовательских горячих точек. В этой статье будут представлены различные типы новых солнечных элементов, а также принцип и разработка солнечных элементов. При этом сравним эффективность преобразования и перспективы развития.

 


Ⅱ Типы солнечных элементов

2.1 Кремниевый солнечный элемент

Кремниевые солнечные элементы делятся на монокристаллические кремниевые солнечные элементы, поликристаллические кремниевые тонкопленочные солнечные элементы и аморфные кремниевые тонкопленочные солнечные элементы.

 

Солнечные элементы

из монокристаллического кремния имеют эффективность преобразования ячеек, технология которых также является наиболее зрелой. Максимальная эффективность преобразования в лаборатории составляет 24,7 %, а производительность в масштабах производства — 15 %.Он по-прежнему доминирует в крупномасштабных приложениях и промышленном производстве. Однако из-за высокой стоимости монокристаллического кремния резко снизить стоимость очень сложно. В целях экономии кремниевых материалов разработка поликристаллического кремния и пленки аморфного кремния появляется в качестве заменителей монокристаллических кремниевых солнечных элементов.

 

По сравнению с монокристаллическим кремнием, тонкопленочный солнечный элемент из поликристаллического кремния имеет более низкую стоимость.Между тем, он имеет более высокую эффективность, чем тонкопленочные элементы из аморфного кремния. Его наивысшая эффективность преобразования составляет 18% в лабораторных условиях и 10% в промышленных масштабах. В результате тонкопленочные батареи из поликристаллического кремния вскоре будут доминировать на рынке солнечной энергии.

 

Тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния обладают большим потенциалом благодаря преимуществам низкой стоимости, высокой эффективности преобразования и простоты массового производства. Однако из-за эффекта затухания фотоэлектрической эффективности, вызванного материалом, стабильность невысока, что напрямую влияет на его практическое применение.Если мы сможем дополнительно решить проблему стабильности и улучшить коэффициент преобразования, то солнечный элемент на основе аморфного кремния, несомненно, станет одним из основных направлений развития солнечных элементов.

 

2.2 Многосоставные тонкопленочные солнечные элементы

Материалом многосоставных тонкопленочных солнечных элементов являются неорганические соли, в том числе соединения арсенида галлия III-V, сульфид кадмия, сульфид кадмия и тонкопленочный элемент с селеном, окклюдированным медью.

 

Поликристаллические тонкопленочные элементы из сульфида кадмия, теллурида кадмия обеспечивают более высокую эффективность, чем тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния, более низкую стоимость, чем элементы из монокристаллического кремния, а также просты в массовом производстве.Однако кадмий очень токсичен, что приведет к серьезному загрязнению окружающей среды; следовательно, это не идеальная замена кристаллическим кремниевым солнечным элементам.

 

 

Эффективность преобразования составных ячеек GaAs III-V может достигать 28%. Соединения GaAs имеют очень хорошую оптическую ширину запрещенной зоны и высокую эффективность поглощения. Они обладают сильной защитой от облучения и нечувствительны к теплу, что подходит для производства высокоэффективных однопереходных элементов.Однако цена GaAs-материалов высока, что в значительной степени ограничивает популярность GaAs-элементов.

 

Тонкопленочные элементы из селенида меди и индия (называемые CIS) подходят для фотоэлектрического преобразования. Проблем с фотодеградацией нет. Они имеют такую ​​же эффективность преобразования, как и поликремний. С низкими ценами, хорошей производительностью и простотой процессов и т. д. СНГ станет важным направлением будущего развития солнечных батарей. Единственная проблема заключается в источнике материала, так как индий и селен являются относительно редкими элементами, поэтому разработка таких батарей должна быть ограничена.

 

2.3 Полимерный многослойный модифицированный электродный солнечный элемент

Замена неорганических материалов органическими полимерами является научным руководителем недавно начатого производства солнечных элементов. Обладая преимуществами хорошей гибкости, простоты изготовления, широкого спектра источников материалов и низкой стоимости, органические материалы имеют большое значение для крупномасштабного использования солнечной энергии и обеспечения дешевой электроэнергии. Однако изучение производства солнечных элементов из органических материалов только началось, и их срок службы, и эффективность батареи не могут сравниться с неорганическими материалами, особенно с кремниевыми элементами.Вопрос о том, можно ли превратить его в практический продукт, требует дальнейшего изучения.

 

 

2.4 Нанокристаллические солнечные элементы

Нанокристаллический TiO 2 Химия Солнечные элементы — это недавно разработанный продукт. Его преимущества включают низкую стоимость, простоту процесса и стабильную работу. В то же время его фотоэлектрическая эффективность стабильно превышает 10%, а стоимость производства составляет всего от 1/5 до 1/10 стоимости кремниевого солнечного элемента, а срок его службы может достигать более 20 лет.

 

Однако, поскольку исследования и разработка таких элементов только начались, предполагается, что нанокристаллические солнечные элементы будут постепенно выходить на рынок в ближайшем будущем.

2.5 Органические солнечные элементы

Органические солнечные элементы, как следует из названия, представляют собой солнечные элементы, которые образуют органические материалы. Мы не знакомы с органическими солнечными батареями, что разумно. Более 95% современных солнечных элементов изготовлены на основе кремния, а менее 5% остальных солнечных элементов изготовлены из других неорганических материалов.

 

Вот таблица эффективности преобразования различных типов солнечных элементов:

Типы солнечных батарей

Кристаллические кремниевые солнечные элементы

Тонкопленочный солнечный элемент

 

кремний монокристаллический

поликристаллический кремний

КдТе

СНГ

А-Си

МС-Si

Эффективность промышленного производства

19.6%

18,5%

11,1%

12%

7%

9%

Достижимые цели эффективности

>20%

20%

18%

18%

10%

15%

 

 


Ⅲ Некоторые причудливые конструкции солнечных батарей

3.1 аккумулятор для электронных накопителей

Электросберегающая батарея имеет идеальный баланс площади солнечных элементов (эффективность выработки энергии) и портативности. Этот продукт ничем не отличается от обычного портативного повербанка. Он по-прежнему имеет колонновидную форму и вывод через USB-порт — но имеет встроенные гибкие солнечные элементы, при необходимости удерживая заднюю часть удилища, и можно вытягивать солнечный элемент как катушку, чтобы получить максимальную площадь освещения. , тем самым повысить эффективность производства электроэнергии.В мирное время можно и панель поставить вверх, что и удобно и не занято.

 

3.2 Складная солнечная батарея

В разделе «Энергосберегающая батарея» мы упомянули гибкий солнечный элемент, который можно свернуть. Тогда можно ли свернуть солнечную батарею или нет? Еще в 2009 году американец по имени Фредерик Кребс создал солнечную пленку, которую можно скручивать или распрямлять, к которой даже была прикреплена ультратонкая литиевая батарея и светодиод. В течение дня вы можете расправить его и прикрепить к стене, и он сможет преобразовывать солнечную энергию в электричество и накапливать.вечером можно поставить в доме как комнатное освещение. При желании его также можно свернуть в трубочку, как фонарик. По замыслу Кребса, стоимость каждого будет меньше 7 долларов США при окончательном массовом производстве такой солнечной светодиодной пленки.

 

3.3 SunCats

SunCats — дизайн Кнута Карлсена. На самом деле, это больше похоже на солнечную наклейку, чем на солнечный элемент, эквивалентный солнечным элементам, прикрепленным к поверхности обычной перезаряжаемой батареи.Поэтому, когда он выключен, бросьте его на подоконник и дайте ему поймать немного солнечного света.

3.4 SunLight 

SunLight разработан немецким дизайнером Германом Эске. Основной корпус sunLight представляет собой солнечную панель, которую можно свернуть вместе. Помимо прямой зарядки электроники, как это делают большинство солнечных устройств, у него есть и другие специальные функции. Если вы посмотрите на него крупным планом, вы обнаружите, что он выглядит немного иначе. Сзади шесть полых маленьких цилиндров.Все загадки кроются в этих цилиндрах, любой из которых можно представить как небольшой светодиодный фонарик, работающий от двух встроенных аккумуляторов типа АААА, и свернутый в виде мощного фонарика с шестью светодиодами.


Ⅳ Принцип работы солнечных элементов

Солнечные элементы, тип полупроводникового устройства, которое эффективно поглощает солнечное излучение и преобразует его в электрическую энергию, также известны как фотоэлектрические элементы из-за их фотоэлектрического эффекта с использованием различных потенциальных барьеров.Основой этих устройств является полупроводник, высвобождающий электроны.

 

Наиболее часто используемым полупроводниковым материалом является кремний. Поскольку запасы кремния в земной коре богаты, можно сказать, что он неисчерпаем. Когда солнечный свет падает на поверхность полупроводника, валентные электроны атомов в N- и P-областях полупроводника возбуждаются солнечными фотонами, а энергия за пределами запрещенной полосы получается за счет оптического излучения. Таким образом, зона проводимости создает множество электронно-дырочных пар, находящихся в неуравновешенном состоянии внутри полупроводникового материала.Эти фотовозбужденные электроны и дырки свободно сталкиваются или рекомбинируют в полупроводнике до равновесного состояния.

 

Композитный процесс не проявляет внешнего проводящего эффекта. Это часть автоматической потери энергии солнечных батарей. Небольшое количество носителей в фотовозбужденных носителях может перемещаться в область PN-перехода и дрейфовать в противоположную область из-за эффекта вытягивания неосновных носителей PN-перехода, а противоположное направление формируется напротив электрического поля барьера PN-перехода. Фотоэлектрическое поле.

 

После подключения к внешней цепи вы можете получить выходную мощность. Когда большое количество таких небольших солнечных фотоэлектрических элементов объединено последовательно и параллельно для формирования модуля фотоэлектрического элемента, под действием солнечной энергии вырабатывается достаточно большая электрическая мощность. Полупроводниковые материалы для солнечных элементов должны иметь подходящую ширину запрещенной зоны.

 

Полупроводник с другой шириной запрещенной зоны поглощает только часть энергии солнечного излучения для генерации электронно-дырочных пар.Чем меньше ширина запрещенной зоны, тем большую часть солнечного спектра можно поглотить, и в то же время количество теряемой энергии будет больше вблизи пиков солнечного спектра. Видно, что более эффективно использовать солнечный спектр можно только при выборе полупроводниковых материалов с подходящей шириной запрещенной зоны. Поскольку полупроводник с прямым переносом имеет более высокую эффективность поглощения света, чем тип с непрямым переносом, он должен быть полупроводником с прямым переносом.

 


Ⅴ Фотогальванический эффект

Как упоминалось выше, здесь необходимо объяснить фотогальванический эффект.

Вот видео о фотогальваническом эффекте: 

Адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии Джефф Гроссман объясняет фотогальванику/солнечные элементы

 

Так называемый фотогальванический эффект заключается в том, что когда объект освещается, распределение заряда внутри объекта изменяется под действием электродвижущей силы и тока.Когда солнечный свет или другой свет падает на PN-переход полупроводника, по обе стороны от PN-перехода появляется напряжение, которое называется фотоиндуцированным напряжением.

 

Когда свет попадает на PN-переход, образуется электронно-дырочная пара. Носители, генерируемые вблизи PN-перехода в полупроводнике, не рекомбинируют, чтобы достичь области пространственного заряда. За счет притяжения внутреннего электрического поля электрон перетекает в N-область, а дырка — в P-область.В результате избыточные электроны накапливаются в N-области, а избыточные дырки присутствуют в P-области. Они формируют фотогенерируемое электрическое поле, противоположное барьеру, вблизи p-n-перехода. Помимо частичного противодействия роли электрического поля потенциального барьера, фотогенерируемое электрическое поле также делает область P положительной, а область N отрицательной. Затем возникает электродвижущая сила между тонким слоем в области N и P, что является фотогальваническим эффектом.

 


Ⅵ Часто задаваемые вопросы

1. Каков принцип работы солнечных батарей?

Солнечная батарея — это устройство, которое напрямую преобразует энергию света в электрическую энергию посредством фотогальванического эффекта. Солнечные элементы или фотоэлектрические элементы изготавливаются на основе принципа фотоэлектрического эффекта. Они преобразуют солнечный свет в электричество постоянного тока.

 

2. Что такое солнечная батарея и кратко объясните, как она работает?

Когда солнечный свет падает на солнечный элемент, кремниевые электроны выбрасываются, что приводит к образованию «дырок» — вакансий, оставленных вылетевшими электронами.Если это произойдет в электрическом поле, то поле переместит электроны в слой n-типа, а дырки — в слой p-типа.

 

3. Каковы преимущества солнечных батарей?

• Возобновляемый источник энергии. Среди всех преимуществ солнечных батарей самым важным является то, что солнечная энергия является действительно возобновляемым источником энергии.

• Уменьшает счета за электроэнергию.

• Различные приложения.

• Низкие затраты на обслуживание.

• Развитие технологий.

 

4. Что такое солнечный элемент?

Солнечный элемент, также называемый фотогальваническим элементом, любое устройство, которое непосредственно преобразует энергию света в электрическую энергию посредством фотогальванического эффекта.

 

5. Каковы характеристики солнечных батарей?

Основными характеристиками солнечного элемента являются ток короткого замыкания (ISC), напряжение холостого хода (VOC), коэффициент заполнения (FF) и эффективность преобразования солнечной энергии (η).

 

6. Какие существуют типы солнечных батарей?

Три типа солнечных панелей: монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные солнечные панели. Каждый из этих типов солнечных элементов изготавливается уникальным образом и имеет разный эстетический вид.

 

7. Каковы три преимущества солнечной энергии?

Солнечная энергия не загрязняет окружающую среду и не вызывает выбросов парниковых газов после установки.Снижение зависимости от иностранной нефти и ископаемого топлива. Возобновляемая чистая энергия, доступная каждый день в году, даже в пасмурные дни производит некоторую энергию. Возврат инвестиций в отличие от оплаты счетов за коммунальные услуги.

 

8. Почему кремний используется в солнечных батареях?

Чистый кристаллический кремний плохо проводит электричество, так как по своей сути является полупроводниковым материалом. … В солнечном элементе слои расположены рядом друг с другом, и таким образом создается электрическое поле.Когда солнечный свет попадает на солнечный элемент, энергия стимулирует электроны, которые оставляют после себя дырки.

 

9. Что такое напряжение холостого хода солнечных элементов?

Напряжение холостого хода, VOC, является максимальным напряжением, доступным от солнечного элемента, и это происходит при нулевом токе. Напряжение холостого хода соответствует величине прямого смещения на солнечном элементе из-за смещения перехода солнечного элемента с генерируемым светом током.

 

10.Почему солнечная энергия полезна для окружающей среды?

Солнечная энергия снижает выбросы парниковых газов.

Выработка электроэнергии с использованием солнечной энергии вместо ископаемого топлива может значительно сократить выбросы парниковых газов, особенно двуокиси углерода (CO2). Переходя на солнечную энергию, вы можете снизить спрос на ископаемое топливо, ограничить выбросы парниковых газов и уменьшить свой углеродный след.

 


Книга рекомендаций

 

Эта книга представляет собой всестороннее введение в физику фотогальванического элемента.Он подходит для студентов, аспирантов и исследователей, плохо знакомых с этой областью. Он охватывает основы физики полупроводников в фотоэлектрических устройствах; физические модели работы солнечных батарей; характеристики и конструкция распространенных типов солнечных батарей; и подходы к повышению эффективности солнечных батарей. Текст объясняет термины и понятия физики солнечных батарей и показывает читателю, как формулировать и решать соответствующие физические задачи. Упражнения и рабочие решения включены.Содержание: Фотоны на входе, электроны на выходе: основные принципы PV; Электроны и дырки в полупроводниках; Генерация и рекомбинация; Соединения; Анализ p-n-перехода; Монокристаллические солнечные элементы; Тонкопленочные солнечные элементы; Управление светом; За пределом: стратегии повышения эффективности.

 

— Дженни Нельсон (Автор)

В основном книги посвящены однопереходным кремниевым устройствам, но также описаны некоторые из полупроводников III-V. В основном освещается физика солнечных элементов, но есть и информация по практическим вопросам установки.

 

—Мартин А. Грин (Автор)

 


Актуальная информация о «Принципе работы и разработке солнечных элементов»

О статье «Принцип работы и развитие солнечной батареи». Если у вас есть лучшие идеи, не стесняйтесь писать свои мысли в следующей области комментариев. Вы также можете найти дополнительные статьи об электронных полупроводниках через поисковую систему Google или обратиться к следующим связанным статьям.

 

Альтернативные модели

Часть Сравнить Производители Категория Описание
Произв.Деталь №: LAN91C111-NU Сравните: Текущая часть Производители:Microchip Категория: Интерфейсные ИС Описание: 2 канала(-ов), 100 Мбит/с, КОНТРОЛЛЕР ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ, PQFP128, 14 X 14 ММ, ВЫСОТА 1 ММ, СООТВЕТСТВУЕТ ROHS, TQFP-128
ПроизводительДеталь №: LAN91C111I-NU Сравните: LAN91C111-NU VS LAN91C111I-NU Производители:Microchip Категория: Интерфейсные ИС Описание: Контроллер Ethernet, 100 Мбит/с, IEEE 802.3, IEEE 802.3u, 2,97 В, 3,63 В, TQFP, 128 контактов
Номер детали производителя:LAN91C111-NS Сравните: LAN91C111-NU VS LAN91C111-NS Производители:Microchip Категория: Интерфейсные ИС Описание: Контроллер Ethernet, 100 Мбит/с, IEEE 802.3, ИЭЭЭ 802.3у, 2.97В, 3.63В, КФП, 128Пинс
Номер детали производителя:LAN91C111I-NS Сравните: LAN91C111-NU против LAN91C111I-NS Производители:Microchip Категория: Интерфейсные ИС Описание: Ethernet-контроллер MICROCHIP LAN91C111I-NS, 100 Мбит/с, IEEE 802.3, ИЭЭЭ 802.3у, 2.97В, 3.63В, КФП, 128Пинс

Как работают солнечные батареи?

Почему мы тратим время на бурение нефтяных скважин и сгребать уголь, когда в небе над нами гигантская электростанция, посылающая чистая, нон-стоп энергия бесплатно? Солнце, бурлящий шар ядерная энергетика, имеет достаточно топлива на борту управлять нашей Солнечной системой еще пять миллиардов лет, а солнечные панели может превратить эту энергию в бесконечную, удобную снабжение электричеством.

Солнечная энергия может показаться странной или футуристической, но это уже довольно обыденность.У вас могут быть кварцевые часы с солнечной батареей на запястье или карманный калькулятор на солнечных батареях. У многих людей есть фонари на солнечных батареях. в их саду. Космические корабли и спутники обычно имеют солнечные батареи на них тоже. Американское космическое агентство НАСА даже разработало аппарат на солнечных батареях. самолет! Как глобальное потепление продолжает угрожать окружающей среде, мало кто сомневается в том, что солнечная энергия станет еще более важной формой возобновляемой энергии в будущем. Но как именно это работает?

Фото: Самолет НАСА Pathfinder на солнечных батареях.Верхняя поверхность крыла покрыта легкими солнечными панелями, которые питают пропеллеры самолета. Изображение предоставлено Центр летных исследований НАСА имени Армстронга.

Сколько энергии мы можем получить от Солнца?

Солнечная энергия удивительна. В среднем каждый квадратный метр земли поверхность получает 163 ватта солнечной энергии (цифра, которую мы объясним более подробно чуть позже). [1] Иными словами, на каждом квадратном метре помещения можно было бы поставить действительно мощную (150 Вт) настольную лампу. поверхность Земли и осветить всю планету энергией Солнца! Или, если поставить по-другому, если бы мы покрыли только один процент пустыни Сахара солнечными панели, мы могли бы генерировать достаточно электроэнергии чтобы привести в действие весь мир.[2] Вот чем хороша солнечная энергия: их ужасно много — гораздо больше, чем мы могли бы когда-либо использовать.

Фото: Количество энергии, которую мы можем получить от солнечного света, минимально на восходе и закате, а максимум в полдень, когда Солнце находится прямо над головой.

Но есть и обратная сторона. Энергия, которую излучает Солнце, поступает на Земля как смесь света и тепла. Оба они невероятно важно — свет заставляет растения расти, обеспечивая нас пищей, а жара согревает нас достаточно, чтобы выжить, но мы не можем использовать ни Солнечный свет или тепло непосредственно для запуска телевизора или автомобиля.Мы должны найти способ преобразования солнечной энергии в другие формы энергии, которые мы можно использовать более легко, например, электричество. И это именно то, что солнечно клетки делают.

Что такое солнечные батареи?

Солнечная батарея — это электронное устройство, которое улавливает солнечный свет и превращает его непосредственно в электричество. Он размером с ладонь взрослого человека, имеет восьмиугольную форму и окрашен в иссиня-черный цвет. Солнечные элементы часто объединяются в более крупные блоки, называемые солнечными модулями . объединены в еще более крупные блоки, известные как солнечные панели (черные или окрашенные в синий цвет плиты, которые вы видите в домах людей, обычно с несколькими сто отдельных солнечных элементов на крышу) или порубить на щепки (до обеспечивают питание для небольших гаджетов, таких как карманные калькуляторы и цифровые часы).

Фото: Крыша этого дома покрыта 16 солнечными панелями, каждая из которых состоит из сетки 10×6 = 60 маленьких солнечных элементов. В хороший день он, вероятно, вырабатывает около 4 киловатт электроэнергии.

Так же, как элементы в батарее, элементы в солнечные панели предназначены для выработки электроэнергии; но где батарея клетки производят электричество из химических веществ, элементы солнечной панели генерируют энергию, вместо этого захватывая солнечный свет. Их иногда называют фотоэлектрическими (PV) клеток, потому что они используют солнечный свет («фото» происходит от греческого слова «свет») для производства электричества (т. слово «voltaic» является ссылкой на итальянского пионера электричества. Алессандро Вольта, 1745–1827).

Мы можем думать, что свет состоит из мельчайших частиц, называемых фотона , поэтому луч солнечного света похож на ярко-желтый огонь шланг, стреляющий триллионами триллионов фотонов в нашу сторону. Приклейте солнечный элемент на своем пути, и он ловит эти энергичные фотоны и преобразует их в поток электронов — электрический ток. Каждая ячейка вырабатывает несколько вольт электричества, поэтому работа солнечной панели заключается в объединении энергии, производимой многими клетками, для получения полезного количества электрического тока и Напряжение.Практически все современные солнечные батареи сделаны из кусочков кремния (один из самых распространенных химических элементов на Земле, обнаружен в песке), хотя, как мы вскоре увидим, множество других материалов также можно использовать (или вместо него). Когда солнечный свет падает на солнечный элемент, энергия он вырывает электроны из кремния. Этих можно заставить обтекать электрическую цепь и питать все, что работает на электричество. Это довольно упрощенное объяснение! Теперь давайте возьмем поближе…

Как делают солнечные батареи?

Фото: одиночный солнечный элемент.Фотография Рика Митчелла, предоставлена ​​Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL).

Кремний — это материал, из которого делают транзисторы. (крошечные переключатели) в микрочипах — и солнечные элементы работают аналогичным образом. Кремний — это тип материала, который называется полупроводником. Некоторые материалы, особенно металлы, пропускают через себя электричество. очень легко; их называют проводниками. Другие материалы, такие как пластик и дерево, не очень пусть электричество течет через них в все; их называют изоляторами.Полупроводники, такие как кремний, ни проводники, ни изоляторы: они обычно не проводят электричество, но при определенных обстоятельствах мы можем заставить их это сделать.

Солнечная батарея представляет собой сэндвич из двух разных слоев кремния, были специально обработаны или легированы, чтобы они позволит электричеству течь через них определенным образом. Нижний слой легирован, поэтому у него слишком мало электронов. Он называется кремнием р-типа или кремнием положительного типа (потому что электроны отрицательно заряжены, и в этом слое их слишком мало).Верхний слой легирован противоположным образом, что дает ему слишком много электронов. Это называется кремнием n-типа или отрицательным типом. (Ты подробнее о полупроводниках и легировании можно прочитать в наших статьях о транзисторах и интегральные схемы.)

Когда мы помещаем слой кремния n-типа на слой p-типа кремний, барьер создается на стыке двух материалов ( важнейшая граница, где встречаются два вида кремния). Нет электроны могут пересекать барьер, поэтому, даже если мы соединим этот кремний бутерброд с фонариком, ток не пойдет: лампочка не загорится вверх.Но если мы прольем свет на бутерброд, произойдет нечто замечательное. бывает. Мы можем думать о свете как о потоке энергетического «света». частицы», называемые фотонами. Когда фотоны входят наш бутерброд, они отдают свою энергию атомам в кремнии. Приходящая энергия выбивает электроны из нижнего слоя p-типа, поэтому Oни перепрыгнуть через барьер на слой n-типа выше и обтекать схема. То чем больше света светит, тем больше электронов подпрыгивает и тем больше ток течет.

Это то, что мы подразумеваем под фотогальваникой — напряжение, создающее свет, — и это один из видов того, что ученые называют фотоэлектрическим эффектом.

Теперь подробнее…

Это базовое введение в солнечные элементы, и если это все, что вам нужно, можете остановиться здесь. В оставшейся части этой статьи более подробно рассматриваются различные типы солнечных элементов, как люди применяют солнечную энергию на практике, и почему солнечная энергия занимает так много времени поймать.

Насколько эффективны солнечные батареи?

Основное правило физики, называемое законом сохранения энергии, гласит: что мы не можем волшебным образом создать энергию или заставить ее раствориться в тонком воздух; все, что мы можем сделать, это преобразовать его из одной формы в другую.Это значит Солнечная батарея не может производить больше электроэнергии, чем она воспринимает каждую секунду как свет. На практике, как мы скоро увидим, большинство клеток преобразуют около 10–20 процентов энергии, которую они получать в электричество. Типичная кремниевая солнечная батарея с одним переходом ячейка имеет теоретическую максимальную эффективность около 30 процентов, известную как Предел Шокли-Квиссера . Это в основном потому, что солнечный свет содержит широкую смесь фотонов разных длин волн и энергии, и любой однопереходный солнечный элемент будет оптимизирован для ловить фотоны только в пределах определенного частотного диапазона, тратя впустую остальные.Некоторым фотонам, попадающим в солнечный элемент, не хватает энергии, чтобы выбить электроны, так что они эффективно тратятся впустую, в то время как у некоторых слишком много энергии, и избыток также тратится впустую. Очень лучшие, передовые лабораторные клетки могут справиться чуть менее чем с 50 процентами эффективность в абсолютно идеальных условиях с использованием нескольких соединений ловить фотоны разных энергий.

Диаграмма: Сравнение эффективности солнечных элементов: Самый первый солнечный элемент работал с КПД всего 6 процентов; самый эффективный, который был произведен на сегодняшний день 47.1 процент в лабораторных условиях. Большинство клеток относятся к типу клеток первого поколения, которые теоретически могут управлять примерно 15 процентами, а на практике — примерно 8 процентами.

Домашние солнечные панели в реальном мире могут достигать эффективности около 15 процентов, дайте процентный пункт здесь или там, и это вряд ли станет намного лучше. Однопереходные солнечные элементы первого поколения не собираются приближаться 30-процентная эффективность предела Шокли-Квиссера, не говоря уже о лабораторный показатель 47,1 процента. Все виды надоедливых факторов реального мира будут съедать номинальную эффективность, включая конструкцию панелей, их расположение и под углом, находятся ли они когда-нибудь в тени, насколько чистыми вы их держите, как они становятся горячими (повышение температуры имеет тенденцию снижать их эффективность), и вентилируются ли они (позволяют воздуху циркулировать под ними) чтобы они были прохладными.

Типы фотоэлектрических солнечных элементов

Большинство солнечных батарей, которые вы сегодня увидите на крышах людей, по сути просто силиконовые бутерброды, специально обработанные («легированные») сделать их лучшими проводниками электричества. Ученые относят к ним классические солнечные элементы как первое поколение, в основном для дифференциации их из двух разных, более современных технологий, известных как вторичные и третьего поколения. Так какая разница?

Первое поколение

Фото: Красочная коллекция солнечных батарей первого поколения.Изображение предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Более 90 процентов солнечных батарей в мире сделаны из пластин кристаллического кремния (сокращенно c-Si), нарезанного из крупных слитков, которые выращиваются в сверхчистых лабораториях в процессе, который может на выполнение уходит до месяца. [3] Слитки либо принимают форму монокристаллы ( монокристаллические или монокристаллические) или содержат несколько кристаллов ( поликристаллические , мульти-Si или поли c-Si).

Солнечные батареи первого поколения работают так же, как мы показано в рамке вверху: они используют одно простое соединение между слоями кремния n-типа и p-типа, которые нарезаны из отдельные слитки.Таким образом, слиток n-типа будет получен путем нагревания кусков. кремния с небольшим количеством фосфора, сурьмы или мышьяка в качестве легирующей примеси, в то время как слиток p-типа будет использовать бор в качестве легирующей примеси. Затем кусочки кремния n-типа и p-типа сплавляются, чтобы получить узел. Добавлено еще несколько наворотов (например, антибликовое покрытие, которое улучшает светопоглощение и придает фотогальванические элементы их характерный синий цвет, защитное стекло спереди и пластиковой подложкой, а также металлическими соединениями, чтобы ячейка могла быть включенным в цепь), но сутью всего этого является простой p-n переход. большинство солнечных батарей.Это в значительной степени то, как все фотоэлектрические кремниевые солнечные батареи клетки работают с 1954 года, когда ученые из Bell Labs изобрели технологию: сияющий солнечный свет на кремнии, извлеченном из песок, они вырабатывали электричество.

Второе поколение

Фото: Тонкопленочная солнечная панель второго поколения. Энергогенерирующая пленка изготовлена ​​из аморфного кремния, закрепленного на тонкой, гибкой и относительно недорогой пластиковой подложке («подложке»). Фото Уоррена Гретца предоставлено NREL. (идентификатор изображения № 6321083).

Классические солнечные элементы представляют собой относительно тонкие пластины — обычно доля миллиметра в глубину (около 200 микрометров, 200 мкм или около того). Но они абсолютные плит по сравнению со вторым поколением элементы, широко известные как тонкопленочные солнечные элементы (TPSC) или тонкопленочные фотоэлектрические элементы (TFPV), которые примерно в 100 раз снова тоньше (несколько микрометров или миллионные доли метра в глубину). Хотя большинство из них по-прежнему изготавливается из кремния (другая форма, известная как аморфный кремний, a-Si, в котором атомы расположены случайным образом вместо точно упорядоченной в правильной кристаллической структуре), некоторые из них изготовлены из других материалов, в частности теллурида кадмия (Cd-Te) и диселенид меди-индия-галлия (CIGS).[4]

Солнечные элементы второго поколения чрезвычайно тонкие, легкие и гибкие. ламинированные на окна, световые люки, черепицу и все виды «подложки» (материалы основы), включая металлы, стекло и полимеры (пластмассы). То, что клетки второго поколения приобретают в гибкости, они жертвуют в эффективность: классические солнечные элементы первого поколения по-прежнему превосходят их. Таким образом, в то время как первоклассная ячейка первого поколения может достичь эффективность 15-20 процентов, аморфный кремний изо всех сил пытается превзойти 7 процентов, лучшие тонкопленочные элементы Cd-Te выдерживают только около 11 процентов, а клетки CIGS не лучше, чем 7–12 процентов.[5] Это одна из причин, почему, несмотря на их практические преимущества, второе поколение элементы до сих пор оказали относительно небольшое влияние на рынок солнечной энергии.

Третье поколение

Фото: Пластиковые солнечные элементы третьего поколения, созданные исследователями Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии. Фото Джека Демпси предоставлено NREL. (идентификатор изображения № 6322357).

Новейшие технологии сочетают в себе лучшие черты первых и клетки второго поколения. Подобно клеткам первого поколения, они обещают относительно высокий КПД (30 и более процентов).Нравиться клетки второго поколения, они, скорее всего, будут сделаны из материалы, отличные от «простого» кремния, такие как аморфный кремний, органические полимеры (изготовление органических фотоэлектрических элементов, OPV), кристаллы перовскита, и имеют несколько переходов (сделанных из нескольких слоев различных полупроводниковых материалов). материалы). В идеале, это сделало бы их дешевле, эффективнее, и более практичны, чем ячейки первого или второго поколения. [6] В настоящее время мировой рекорд эффективности для солнечных батарей третьего поколения составляет 28 процентов, достигнуто с помощью тандемного солнечного элемента из перовскита и кремния в декабре 2018 года.

Сколько энергии мы можем получить с помощью солнечных батарей?

«Суммарная солнечная энергия, достигающая Земли Поверхность может удовлетворить существующие глобальные потребности в энергии в 10 000 раз больше».

Европейская ассоциация фотоэлектрической промышленности/Гринпис, 2011 .

Теоретически огромное количество. Забудем пока о солнечных батареях и просто подумайте о чистом солнечном свете. До 1000 ватт сырой солнечной энергии попадает на каждый квадратный метр Земли, направленной прямо на Солнце (это теоретическая мощность прямого полуденного солнечного света на безоблачный день — солнечные лучи падают перпендикулярно поверхность и дающая максимальную освещенность или инсоляцию , так как это технически известно).

На практике, после того как мы скорректировали наклон планеты и времени суток, лучшее, что мы можем получить, это может быть 100–250 Вт на квадратный метр в типичных северных широтах. (даже в безоблачный день). Это составляет около 2–6 кВтч в день. (в зависимости от того, находитесь ли вы в северном регионе, таком как Канада или Шотландия или где-нибудь более услужливый, например, в Аризоне или Мексике). [11] Умножение на годовое производство дает нам где-то от 700 до 2500 кВтч на квадратный метр (700–2500 единиц электричество).Более жаркие регионы явно имеют гораздо большую солнечную потенциал: Ближний Восток, например, получает около 50–100 процентов больше полезной солнечной энергии каждый год, чем в Европе.

К сожалению, типичные солнечные элементы составляют всего около 15 процентов. эффективным, поэтому мы можем зафиксировать только часть этого теоретического энергия: возможно, 4–10 Вт на квадратный метр. [7] Вот почему солнечные панели должны быть такими большими: количество сила, которую вы можете создать, очевидно, напрямую связана с площадью, которую вы может позволить себе покрыть ячейками.Один солнечный элемент (примерно размером компакт-диска) может генерировать около 3–4,5 Вт; типичный солнечный модуль из массива около 40 ячеек (5 рядов по 8 ячейки) может составлять около 100–300 Вт; несколько солнечных батарей, каждая из примерно 3–4 модулей, поэтому мог генерировать абсолютный максимум несколько киловатт (вероятно, достаточно, чтобы удовлетворить потребность в пиковой мощности).

А как насчет солнечных ферм?

Но предположим, что мы хотим получить действительно больших количеств солнечной энергии. власть.Вырабатывать столько электроэнергии, сколько здоровенный ветряк (с пиковая выходная мощность, возможно, два или три мегаватта), вам нужно около 500–1000 солнечных крыш. И конкурировать с крупным угольным или ядерным электростанция (оценивается в гигаваттах, что означает тысячу мегаватт или миллиарды ватт), вам снова потребуется в 1000 раз больше — эквивалент около 2000 ветряных турбин или, возможно, миллион солнечных крыш. (Эти сравнения предполагают, что наша солнечная энергия и ветер производят максимальную мощность.) Даже если солнечные батареи являются чистыми и эффективными источниками энергии, одна вещь, на которую они не могут претендовать в данный момент, эффективна использования земли.Даже те огромные солнечные фермы, которые сейчас появляются повсюду место производит лишь скромное количество энергии (обычно около 20 мегаватт, или около 1 процента, как почти как большая угольная или атомная электростанция мощностью 2 гигаватт). Возобновляемая Великобритания Компания Ecotricity подсчитала, что требуется около 22 000 панелей, уложенных поперек Участок площадью 12 гектаров (30 акров) для выработки 4,2 мегаватт электроэнергии, примерно столько же, сколько два больших ветра турбин и достаточно для питания 1200 домов. [8]

Фото: Огромный 91 гектар (225 акров) проект солнечной генерации Alamosa в Колорадо вырабатывает до 30 мегаватт солнечной энергии с помощью трех хитрых уловок.Во-первых, существует огромное количество фотоэлектрических панелей (500 штук, каждая способна мощности 60кВт). Каждая панель установлена ​​на отдельном вращающемся узле, поэтому она может отслеживать движение Солнца по небу. И у каждого есть несколько линз Френеля, установленных сверху, чтобы концентрировать солнечные лучи на своих солнечных батареях. Фото Денниса Шредера предоставлено NREL. (идентификатор изображения № 10895528).

Власть народу

Фото: Ветряная микротурбина и солнечная панель работают вместе, чтобы питать аккумуляторы, которые днем ​​и ночью освещают этот предупреждающий знак о строительстве дороги.Солнечная панель установлена, обращенной к небу, на плоской желтой «крышке», которую вы видите прямо над дисплеем.

Некоторые люди обеспокоены тем, что солнечные фермы сожрут землю, которую мы потребность в реальных сельском хозяйстве и производстве продуктов питания. Беспокойство о захват земли упускает важный момент, если мы говорим о размещении солнечной панели на отечественных крыш. Экологи утверждают, что реальный смысл солнечной энергетики не в том, чтобы создавать большие централизованные солнечные электростанции (поэтому мощные коммунальные предприятия могут продолжать продавать электричество бесправным людям с высокой прибылью), но вытеснить грязные, неэффективные, централизованные электростанции, позволяя людям сами производят власть в том самом месте, где они ее используют.Это устраняет неэффективность производства электроэнергии на ископаемом топливе, загрязнение воздуха и выбросы углекислого газа, которые они производят, а также устраняет неэффективность передачи энергии с точки зрения генерация до точки использования через воздушные или подземные электростанции линии. Даже если вам придется покрыть всю крышу солнечными панелями. (или заламинируйте все окна тонкопленочными солнечными батареями), если бы вы могли удовлетворить все ваши потребности в электроэнергии (или даже большую часть их), это не имело бы значения: ваша крыша в любом случае просто пустая трата места.Согласно отчету Европейской фотоэлектрической промышленности за 2011 г. [PDF]. Ассоциация и Гринпис, нет необходимости покрывать ценные сельскохозяйственные угодья с солнечными панелями: около 40 процентов всех крыш и 15 процентов фасадов зданий в странах ЕС подходят для фотоэлектрических систем панелей, что составляет примерно 40 процентов от общего количества спрос на электроэнергию к 2020 году.

Важно не забывать, что солнечная энергия меняет мощность поколения на точка мощности потребление —и это имеет большой практический преимущества.Теоретически наручные часы и калькуляторы на солнечных батареях не нуждаются в батареях (на практике у них есть резервные батареи) и многие из нас наслаждались бы смартфонами на солнечных батареях, в которых никогда не было необходимости. зарядка. Дорожные и железнодорожные знаки теперь иногда питаются от солнечной энергии; мигающие знаки аварийного обслуживания часто имеют установленные солнечные батареи поэтому их можно развернуть даже в самых отдаленных местах. В развивающиеся страны, богатые солнечным светом, но бедные электричеством инфраструктура, солнечные батареи питают водяные насосы, телефонные будки, и холодильники в больницах и поликлиниках.

Почему солнечная энергия еще не прижилась?

Ответ на этот вопрос представляет собой смесь экономических, политических и технологические факторы. С экономической точки зрения в большинстве стран, электроэнергия, вырабатываемая солнечными панелями, по-прежнему дороже, чем электроэнергия, полученная путем сжигания грязных, загрязняющие ископаемые виды топлива. В мире огромные инвестиции в ископаемые топливная инфраструктура и, хотя мощные нефтяные компании баловались в ответвлениях солнечной энергетики, они, кажется, гораздо больше заинтересованы в продление срока службы существующих запасов нефти и газа с такие технологии, как фрекинг (гидроразрыв пласта).В политическом плане нефтяные, газовые и угольные компании чрезвычайно могущественный и влиятельный и противостоять виду окружающей среды правила, которые благоприятствуют возобновляемым технологиям, таким как солнечная и ветровая энергия власть. С технологической точки зрения, как мы уже видели, солнечные батареи представляют собой постоянная «незавершенная работа» и большая часть мировой солнечной инвестиции по-прежнему основаны на технологии первого поколения. Кто знает, возможно, пройдет еще несколько десятилетий, прежде чем недавние научные достижения делают экономическое обоснование для солнечной энергетики действительно привлекательным?

Одна из проблем с аргументами такого рода состоит в том, что они весят только основные экономические и технологические факторы и не учитывают скрытые экологические затраты на такие вещи, как разливы нефти, загрязнение воздуха, разрушение земель в результате добычи угля или изменение климата изменения — и особенно будущие затраты, которые трудно или невозможно предсказать.Вполне возможно, что растущее осознание из этих проблем ускорит переход от ископаемого топлива, даже если нет дальнейшего технического прогресса; другими словами, может наступить время, когда мы больше не сможем откладывать всеобщее принятие возобновляемых источников энергии. В конечном итоге все эти факторы взаимосвязаны. При убедительном политическом руководстве мир мог бы посвятить себя солнечной революции завтра: политика может заставить технологические усовершенствования, которые меняют экономику солнечной энергетики.

И одной экономики может быть достаточно. Темп технологий, инновации в производства, а эффект масштаба продолжает снижать Стоимость солнечных батарей и панелей. Посмотрите, что произошло за последнее десятилетие или около того. Только с 2008 по 2009 г. по словам аналитика окружающей среды BBC Роджер Харрабин, цены упали примерно на 30 процентов, а Растущее доминирование Китая в производстве солнечной энергии с тех пор продолжает гнать их вниз. В период с 2010 по 2016 год стоимость крупномасштабных фотоэлектрических систем упала. примерно на 10-15% в год, согласно Управление энергетической информации США; в целом цена перехода на солнечную энергию за последнее десятилетие упала примерно на 90 процентов, что еще больше укрепило позиции Китая на рынке.Шесть из десяти ведущих мировых производителей солнечных батарей теперь китайцы; в 2016 году около двух третей новых солнечных мощностей в США приходилось на Китай, Малайзию и Южную Корею.

Фото: Солнечные батареи — не единственный способ получать энергию из солнечного света. обязательно, лучший способ. Мы также можем использовать солнечную тепловую энергию (поглощающую тепло солнечного света для нагрева воды в вашем доме), пассивную солнечную энергию (проектирование здания для поглощения солнечного света) и солнечные коллекторы (показаны здесь). В этой версии 16 зеркал собирать солнечный свет и концентрировать его на двигателе Стирлинга (серый прямоугольник справа), который является чрезвычайно эффективным производителем энергии.Фото Уоррена Гретца предоставлено NREL (идентификатор изображения № 6323238).

Быстро наверстываете упущенное?

Ожидается, что переломный момент для солнечной энергетики наступит, когда она сможет достичь чего-то под названием четность сетки , что означает, что Солнечная электроэнергия, которую вы производите самостоятельно, становится такой же дешевой, как мощность, которую вы покупаете из сети. Ожидается, что многие европейские страны достичь этого рубежа к 2020 году. Компания Solar, безусловно, впечатляющие темпы роста в последние годы, но важно помните, что он по-прежнему представляет собой лишь часть всего мира энергия.В Великобритании, например, солнечная промышленность «веховое достижение» в 2014 году, когда он почти удвоил общее количество установленная мощность солнечных панелей ориентировочно от 2,8 ГВт до 5 ГВт. Но что по-прежнему представляет собой лишь пару крупных электростанций и, в максимум вывод , всего 8 процентов от общего числа в Великобритании потребность в электроэнергии примерно 60 ГВт (с учетом таких вещей, как облачность уменьшит его до какой-то доли 8 процентов).

По данным Управления энергетической информации США, в США, где была изобретена фотоэлектрическая технология, в 2020 г. солнечная энергия составляла всего 3 процента от общего объема производства электроэнергии в стране.Это примерно в 2,3 раза больше, чем в 2017 году (когда доля солнечной энергии составляла 1,3 процента), в 3,3 раза больше, чем в 2016 году (когда показатель составлял 0,9 процента). и примерно в 7,5 раз больше, чем в 2014 году (когда доля солнечной энергии составляла всего 0,4 процента). [9] Тем не менее, это все еще менее чем на треть меньше, чем угля. и в 26 раз меньше, чем все виды ископаемого топлива. [10] Даже удвоение солнечной энергии в США увидеть, что он производит не намного больше половины электроэнергии, чем сегодня уголь (10 × 3 = 6 процентов по сравнению с 10 процентами для угля в 2020 году). Это отметить, что два основных ежегодных энергетических обзора в мире, Статистический обзор мировой энергетики и международного В ключевой статистике мировой энергетики Энергетического агентства почти не упоминается солнечная энергия. мощность вообще, кроме как в сноске.

Диаграмма: Солнечная энергия с каждым годом вырабатывает больше электроэнергии, но все еще далеко от нее столько же, сколько угля (который находится в резком снижении). На этой диаграмме сравнивается процент электроэнергии, вырабатываемой в Соединенных Штатах за счет солнечной энергии (зеленая линия) и угля (красная линия). В одних странах ситуация лучше, а в других хуже. Нарисовано сайтомобъясненияэташтуфф.com с использованием исторических и текущих данных из Управление энергетической информации США (исторические данные с этой страницы доступны на Wayback Machine).

Изменится ли это в ближайшее время? Просто может. Согласно Статья 2016 года исследователей из Оксфордского университета, стоимость солнечной энергии сейчас падает так быстро, что она может обеспечить 20 процентов мировых энергетических потребностей к 2027 году, что станет шагом вперед по сравнению с тем, что мы имеем сегодня, и гораздо более высокие темпы роста, чем кто-либо ранее прогнозировал. Более скромно, EIA США прогнозирует, что к 2050 году солнечная энергия будет обеспечивать 20 процентов всего электричества в США. Возможно ли сохранить темпы роста? Может ли солнечная энергия действительно повлиять на изменение климата, пока не стало слишком поздно? Следите за этим пространством!

Краткая история солнечных батарей

  • 1839: Французский физик Александр-Эдмон Беккерель (отец первооткрывателя радиоактивности Анри Беккереля) обнаружил, что некоторые металлы являются фотоэлектрическими: они производят электричество при воздействии света.
  • 1873: Английский инженер Уиллоуби Смит обнаруживает, что селен является особенно эффективным фотопроводником (позже он был использован Честером Карлсоном в его изобретении фотокопировального аппарата).
  • 1905: Физик немецкого происхождения Альберт Эйнштейн выясняет физику фотоэлектрического эффекта, открытие, которое в конечном итоге принесло ему Нобелевскую премию.
  • 1916: Американский физик Роберт Милликен экспериментально доказывает теорию Эйнштейна.
  • 1940: Рассел Ол из Bell Labs случайно обнаруживает, что полупроводник с легированным переходом будет производить электрический ток при воздействии света.
  • 1954: Исследователи Bell Labs Daryl Chapin , Calvin Fuller и Gerald Pearson создают первый практический фотоэлектрический кремниевый солнечный элемент с эффективностью около 6 процентов (более поздняя версия обеспечивает 11 процентов). Они объявляют о своем изобретении, первоначально названном «солнечной батареей», 25 апреля.
  • 1958: Космические спутники Vanguard, Explorer и Sputnik начинают использовать солнечные батареи.
  • 1962: 3600 солнечных батарей Bell используются для питания Telstar, новаторского телекоммуникационного спутника.
  • 1997: Федеральное правительство США объявляет об инициативе «Миллион крыш на солнечных батареях» — к 2010 году планируется построить миллион крыш на солнечных батареях.
  • 2002: НАСА запускает свой солнечный самолет Pathfinder Plus.
  • 2009: Ученые обнаруживают, что кристаллы перовскита имеют большой потенциал в качестве фотогальванических материалов третьего поколения.
  • 2014: Сотрудничество между немецкими и французскими учеными установило новый рекорд — 46-процентную эффективность четырехпереходного солнечного элемента.
  • 2020: Солнечные батареи, по прогнозам, достигнут сетевого паритета (солнечная электроэнергия, которую вы производите самостоятельно, будет такой же дешевой, как электроэнергия, которую вы покупаете у сети).
  • 2020: Перовскито-кремниевые элементы обещают значительное увеличение солнечной эффективности.
  • 2020: Ученые NREL (Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии) в США разработали шестипереходную ячейку с рекордным КПД 47,1%.

Как работают солнечные батареи | HowStuffWorks

Кремний обладает некоторыми особыми химическими свойствами, особенно в его кристаллической форме. Атом кремния имеет 14 электронов, расположенных на трех разных оболочках. Первые две оболочки, содержащие два и восемь электронов соответственно, полностью заполнены.Однако внешняя оболочка заполнена только наполовину и содержит всего четыре электрона. Атом кремния всегда будет искать способы заполнить свою последнюю оболочку, и для этого он поделится электронами с четырьмя соседними атомами. Это похоже на то, как каждый атом держится за руки со своими соседями, за исключением того, что в этом случае у каждого атома есть четыре руки, соединенные с четырьмя соседями. Это то, что формирует кристаллическую структуру , и эта структура оказывается важной для этого типа фотоэлемента.

Единственная проблема заключается в том, что чистый кристаллический кремний является плохим проводником электричества, потому что ни один из его электронов не может свободно перемещаться, в отличие от электронов в более оптимальных проводниках, таких как медь.Чтобы решить эту проблему, кремний в солнечном элементе имеет примеси — другие атомы, намеренно смешанные с атомами кремния, — что немного меняет принцип работы. Обычно мы думаем о примесях как о чем-то нежелательном, но в данном случае без них наша клетка работать не будет. Рассмотрим кремний с атомом фосфора здесь и там, может быть, один на каждый миллион атомов кремния. Фосфор имеет пять электронов на внешней оболочке, а не четыре. Он по-прежнему связан с соседними атомами кремния, но в каком-то смысле у фосфора есть один электрон, которому не с кем держаться за руки.Он не является частью связи, но в ядре фосфора есть положительный протон, удерживающий его на месте.

Когда к чистому кремнию добавляется энергия, например, в виде тепла, это может привести к тому, что несколько электронов разорвут свои связи и покинут свои атомы. В каждом случае остается отверстие. Эти электроны, называемые свободными носителями , затем беспорядочно блуждают по кристаллической решетке в поисках другой дыры, в которую можно попасть, и переносят электрический ток. Однако в чистом кремнии их так мало, что они не очень полезны.

Но наш нечистый кремний с примесью атомов фосфора — это совсем другая история. Требуется намного меньше энергии, чтобы выбить один из наших «лишних» электронов фосфора, потому что они не связаны связью с какими-либо соседними атомами. В результате большинство этих электронов вырываются на свободу, и у нас гораздо больше свободных носителей, чем было бы в чистом кремнии. Процесс добавления примесей специально называется легированием , а при легировании фосфором полученный кремний называется N-типа («n» для отрицательного) из-за преобладания свободных электронов.Легированный кремний N-типа является гораздо лучшим проводником, чем чистый кремний.

Другая часть типичного солнечного элемента легирована элементом бором, который имеет только три электрона во внешней оболочке вместо четырех, чтобы стать кремнием P-типа. Вместо свободных электронов P-типа («p» означает «положительный») имеет свободные отверстия и несет противоположный (положительный) заряд.

На следующей странице мы более подробно рассмотрим, что происходит, когда эти два вещества начинают взаимодействовать.

Что такое солнечная панель? Как работает солнечная панель?

Солнечная энергия начинается с солнца.Солнечные панели (также известные как «фотоэлектрические панели») используются для преобразования солнечного света, состоящего из частиц энергии, называемых «фотонами», в электричество, которое можно использовать для питания электрических нагрузок.

Солнечные панели могут использоваться для самых разных целей, включая системы удаленного питания для кабин, телекоммуникационное оборудование, дистанционное зондирование и, конечно же, для производства электроэнергии бытовыми и коммерческими солнечными электрическими системами.

На этой странице мы обсудим историю, технологии и преимущества солнечных батарей.Мы узнаем, как работают солнечные батареи, как они изготавливаются, как вырабатывают электричество и где можно купить солнечные панели.

Краткая история солнечных панелей

Развитие солнечной энергетики насчитывает более 100 лет. В первые дни солнечная энергия использовалась в основном для производства пара, который затем можно было использовать для привода машин. Но только после открытия Эдмоном Беккерелем «фотогальванического эффекта», который позволил преобразовывать солнечную электрическую энергию солнечного света.Затем открытие Беккереля привело к изобретению Чарльзом Фриттсом в 1893 году первого настоящего солнечного элемента, который был образован путем покрытия листов селена тонким слоем золота. И из этого скромного начала возникло устройство, известное нам сегодня как солнечная панель .

Рассел Ол, американский изобретатель, работающий в Bell Laboratories, запатентовал первый в мире кремниевый солнечный элемент в 1941 году. Изобретение Ола привело к производству первой солнечной панели в 1954 году той же компанией.Солнечные панели нашли свое первое широкое применение в космических спутниках. Для большинства людей первая солнечная панель в их жизни, вероятно, была встроена в их новый калькулятор — примерно в 1970-х годах!

Сегодня солнечные панели и полные системы солнечных панелей используются для питания самых разных приложений. Да, солнечные батареи в виде фотоэлементов до сих пор используются в калькуляторах. Однако они также используются для обеспечения солнечной энергией целых домов и коммерческих зданий, таких как штаб-квартира Google в Калифорнии.

Как работают солнечные батареи?

Солнечные панели собирают чистую возобновляемую энергию в виде солнечного света и преобразуют этот свет в электричество, которое затем можно использовать для питания электрических нагрузок. Солнечные панели состоят из нескольких отдельных солнечных элементов, которые сами состоят из слоев кремния, фосфора (обеспечивающего отрицательный заряд) и бора (обеспечивающего положительный заряд). Солнечные панели поглощают фотоны и при этом инициируют электрический ток.Результирующая энергия, генерируемая фотонами, ударяющими о поверхность солнечной панели, позволяет электронам сбиваться с их атомных орбит и высвобождаться в электрическое поле, создаваемое солнечными элементами, которое затем втягивает эти свободные электроны в направленный ток. Весь этот процесс известен как фотоэлектрический эффект. Средний дом имеет более чем достаточную площадь крыши для необходимого количества солнечных панелей для производства достаточного количества солнечной электроэнергии для обеспечения всех его потребностей в электроэнергии.

В хорошо сбалансированной конфигурации с подключением к сети солнечная батарея вырабатывает электроэнергию в течение дня, которая затем используется в доме ночью. Программы чистого измерения позволяют владельцам солнечных генераторов получать оплату, если их система производит больше энергии, чем необходимо в доме. В автономных солнечных батареях необходимыми компонентами являются аккумуляторная батарея, контроллер заряда и, в большинстве случаев, инвертор. Солнечная батарея посылает электричество постоянного тока через контроллер заряда в аккумуляторную батарею.Затем энергия поступает от аккумуляторной батареи к инвертору, который преобразует постоянный ток в переменный ток (AC), который можно использовать для устройств, не использующих постоянный ток. С помощью инвертора размеры массивов солнечных панелей могут соответствовать самым высоким требованиям к электрической нагрузке. Переменный ток может использоваться для питания нагрузок в домах или коммерческих зданиях, транспортных средствах и лодках для отдыха, удаленных кабинах, коттеджах или домах, удаленном управлении дорожным движением, телекоммуникационном оборудовании, мониторинге потока нефти и газа, RTU, SCADA и многом другом.

Преимущества солнечных панелей

Использование солнечных панелей — очень практичный способ производства электроэнергии для многих целей. Очевидным было бы жить вне сети. Жизнь вне сети означает проживание в месте, которое не обслуживается основной электросетью. Удаленные дома и хижины хорошо выигрывают от систем солнечной энергии. Больше не нужно платить огромные суммы за установку электрических столбов и прокладку кабеля от ближайшей точки доступа к основной сети. Солнечная электрическая система потенциально менее дорога и может обеспечивать электроэнергию более трех десятилетий при правильном обслуживании.

Помимо того факта, что солнечные панели позволяют жить вне сети, возможно, самое большое преимущество, которое вы получите от использования солнечной энергии, заключается в том, что это чистый и возобновляемый источник энергии. С глобальным изменением климата стало более важно делать все возможное, чтобы уменьшить давление на нашу атмосферу из-за выбросов парниковых газов. Солнечные панели не имеют движущихся частей и требуют минимального обслуживания. Они прочно построены и служат десятилетиями при правильном обслуживании.

Последним, но не менее важным преимуществом солнечных панелей и солнечной энергии является то, что после того, как система оплатит свои первоначальные затраты на установку, электроэнергия, которую она будет производить в течение оставшегося срока службы системы, который может составлять до 15- 20 лет в зависимости от качества системы, абсолютно бесплатно! Для владельцев систем солнечной энергии, подключенных к сети, преимущества начинаются с того момента, когда система подключается к сети, потенциально устраняя ежемесячные счета за электроэнергию или, что самое приятное, фактически получая дополнительный доход владельца системы от электрической компании.Как? Если вы используете меньше энергии, чем производит ваша солнечная электрическая система, эта избыточная мощность может быть продана, иногда с премией, вашей электроэнергетической компании!

Существует множество других применений и преимуществ использования солнечных батарей для выработки электроэнергии — их слишком много, чтобы перечислять здесь. Но, просматривая наш веб-сайт, вы получите общее представление о том, насколько универсальной и удобной может быть солнечная энергия.

Сколько стоят солнечные панели?

Цены на солнечные панели существенно снизились за последние пару лет.Это здорово, потому что в сочетании с федеральной налоговой льготой на инвестиции в солнечную энергетику в размере 30 долларов и другими применимыми стимулами СЕЙЧАС самое лучшее время для инвестиций в систему солнечной энергии. И учтите: система солнечной энергии стоит примерно столько же, сколько автомобиль среднего размера!

Где я могу купить солнечные панели?

Ну, прямо здесь, на этом сайте, конечно!

Наши бренды солнечных панелей включают наиболее уважаемых производителей в сфере производства солнечных панелей. Эти бренды включают такие названия, как BP Solar, General Electric и Sharp, среди прочих.Мы предлагаем только солнечные панели самого высокого качества от производителей с проверенной репутацией в области технологий солнечных панелей. Имея более чем 30-летний опыт работы в сфере производства солнечных панелей, вы можете быть уверены, что в MrSolar.com мы разбираемся в солнечных панелях!

Сохранить

Сохранить

Фотоэлектрический элемент – определение и принцип работы

Принцип работы фотоэлектрического элемента

Фотогальванический элемент изготовлен из полупроводниковых материалов, которые поглощают фотоны, испускаемые солнцем, и генерируют поток электронов.Фотоны — это элементарные частицы, переносящие солнечное излучение со скоростью 300 000 километров в секунду. В 1920-х годах Альберт Эйнштейн называл их «зернами света». Когда фотоны ударяются о полупроводниковый материал, такой как кремний, кристаллы кремния образуются из кварца, основного соединения кварца и песка. Кремний является полупроводниковым материалом. , они освобождают электроны от своих атомов, оставляя после себя вакантное пространство. Бродячие электроны беспорядочно перемещаются в поисках другой «дыры», которую можно заполнить.

Однако для получения электрического тока электроны должны течь в одном направлении.Это достигается использованием двух типов кремния. Слой кремния, подвергающийся воздействию солнца, легирован атомами фосфора, у которого есть еще один электрон. Материя состоит из атомов. Атом состоит из ядра, состоящего из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (нейтрально заряженных частиц). чем кремний, а другая сторона легирована атомами бораБор является металлоидом, полупроводниковым химическим элементом (символ B)… , у которого на один электрон меньше. Получившийся сэндвич работает почти как батарея: слой с избыточными электронами становится отрицательной клеммой (n), а сторона с дефицитом электронов становится положительной клеммой (p).На стыке двух слоев создается электрическое поле.

Когда электроны возбуждаются фотонами, они уносятся в сторону n электрическим полем, в то время как дырки дрейфуют в сторону p. Электроны и дырки направляются к электрическим контактам, нанесенным с обеих сторон, прежде чем течь во внешнюю цепь в виде электрической энергии. Получается постоянный ток. На верхнюю часть ячейки нанесено антибликовое покрытие, чтобы свести к минимуму фотонные частицы, связанные с электромагнитным излучением и квантом света… потери из-за поверхностного отражения. (см. схему)

                     

Эффективность фотогальванических элементов

Эффективность — это отношение. В математике отношение между двумя числами (отношение x к y равно x/y). Часто выражается в процентах… электрической мощности В физике мощность – это количество энергии, вырабатываемой системой в единицу времени. Проще говоря, мощность можно рассматривать как выходную энергию… производимого клеткой, к количеству солнечного света, которое она получает.Для измерения эффективности ячейки объединяются в модули, которые, в свою очередь, собираются в массивы. Полученные панели затем помещаются перед имитатором солнечной энергии, который имитирует идеальные условия солнечного света: 1000 ватт (Вт) света на кубический метр при температуре окружающей среды 25°C. Электрическая мощность, производимая системой, или пиковая мощность, представляет собой процент поступающей солнечной энергии. Если панель площадью один квадратный метр вырабатывает 200 Вт электроэнергии, ее КПД составляет 20%. Максимальная теоретическая эффективность фотоэлемента составляет около 33%.Это называется пределом Шокли-Квиссера.

 

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1839 году Эдмоном Беккерелем.

 

В реальной жизни количество электричестваФорма энергии, возникающая в результате движения заряженных частиц (электронов) по проводнику… производимая ячейкой, известная как ее выход, зависит от ее эффективности, среднегодового количества солнечного света в окружающей местности и типа установки. Падающее солнечное излучение значительно варьируется, измеряя 1 мегаватт-час на квадратный метр в год (МВтч/кв.м/год) в районе Парижа по сравнению с примерно 1,7 МВтч/кв.м/год на юге Франции и почти 3 МВтч/кв.м/год в пустыне Сахара. Это означает, что солнечная панельСовокупность фотогальванических элементов, соединенных проводами и покрытых стеклом или пластиковой пленкой, защищающей элементы в непогоду… с КПД 15% будет генерировать 150 кВтч/кв.м/год в Париже и 450 кВтч/кв.м/год в Сахаре.
 

Различные типы фотоэлектрических элементов

Существует три основных типа фотоэлементов.Их эффективность преобразования все время улучшается.
 

Элементы из кристаллического кремния


 

Кремний извлекают из кремнезема. Последний имеет множество форм, в том числе кварц, который в больших количествах содержится в песке. Кремниевые элементы составляют более 95% рынка солнечных элементов. В коммерческих приложениях их эффективность колеблется от 16,5% до 22%, в зависимости от используемой технологии.

При холодном способе обработки кремний состоит из множества кристаллов и называется поликристаллическим.Ячейки просты в изготовлении и имеют лабораторную эффективность более 22%. В методе вытягивания из расплава кремний преобразуется в крупную монокристаллическую структуру и называется монокристаллическим. Он имеет лабораторную эффективность до 26,6%. ( См. инфографику).  За последние годы цены на кремниевые элементы упали, что сделало фотоэлектрические панели очень конкурентоспособными по сравнению с другими источниками электроэнергии.

                       

 

Тонкопленочные элементы


 

Вместо резки кремниевых пластин размером около 200 микрон 2 можно разместить скопление природных ресурсов, таких как нефть, природный газ, уголь, уран, металлическая руда или другой товар… полупроводниковый материал в тонких слоях толщиной всего несколько микрон на подложке, такой как стекло или пластик. Обычно используемыми веществами являются теллурид кадмия и селенид меди, индия, галлия (CIGS), лабораторная эффективность которых близка к кремнию: 22,1% и 23,3% соответственно. Аморфный (некристаллический) кремний также можно использовать для изготовления тонкопленочных элементов. Эта технология уже давно применяется в небольших калькуляторах, но она менее эффективна, чем кремний.

 

Органические клетки


1 микрон: толщина (1/1000 миллиметра) полупроводникового слоя, нанесенного на подложку тонкопленочного фотогальванического элемента.

Органические солнечные элементы, в которых используются органические молекулы или полимеры, а не полупроводниковые минералы, начинают находить коммерческое применение. Ячейки по-прежнему имеют низкую эффективность преобразования и короткий срок службы, но потенциально являются недорогой альтернативой с точки зрения производства. Другая технология, сенсибилизированные красителем солнечные элементы со светочувствительными пигментами, вдохновлена ​​фотосинтезом. Процесс, используемый растениями для подпитки их роста. Световая энергия Солнца используется для преобразования углекислого газа и воды в углеводы… , начинает привлекать внимание.

 

Перовскиты


 

Более ранние исследования в области органических фотогальванических элементов (OPV) привели к открытию нового типа элементов, называемых перовскитами, в которых в качестве активного материала используются гибридные органические и неорганические соединения. Перовскиты уже достигли лабораторной эффективности на уровне других технологий (рекорд 23,7%).

Несмотря на то, что необходимо провести множество исследований, прежде чем клетки можно будет производить в массовом порядке (проблемой является нестабильность), перовскиты имеют много преимуществ.Помимо того, что они легкие и гибкие, их материалы можно смешивать с чернилами и наносить на большие поверхности. Кроме того, они чрезвычайно экономичны в производстве.

 

Технологическая конвергенция


 

Ученые всего мира работают над объединением различных фотоэлектрических технологий для создания многопереходных ячеек. Использование различных материалов позволяет элементам достичь гораздо более высокой эффективности, чем максимальный теоретический предел (33,5%), при этом контролируя производственные затраты.Исследования в основном сосредоточены на тонкопленочных кремниевых тандемных элементах, теоретический КПД которых составляет 43%. Максимальный теоретический КПД многопереходных элементов превышает 50%.

 

(1) Его сын Анри Беккерель открыл принципы радиоактивности в 1903 году вместе с Пьером и Марией Кюри.

(2) 1 микрон = 1/1000 миллиметра.

Как работает солнечная панель — Принципы работы солнечной панели

Поликристаллический солнечный элемент

Производство поликристаллических элементов несколько дешевле.Жидкий кремний сначала заливают в блоки для производства поликристаллических солнечных элементов. При затвердевании типичная структура ледяного цветка характеризуется большим количеством отдельных кристаллов. Эта кристаллическая структура формируется по-разному. Дефекты возникают на внешних границах. Из-за этих кристаллических дефектов эффективность поликристаллического солнечного элемента составляет всего 13–15 процентов.

Таким образом, монокристаллический солнечный элемент более эффективен, чем поликристаллический.

Аморфные солнечные элементы / тонкопленочные элементы

Аморфные солнечные элементы также называются тонкопленочными элементами.При производстве фотоактивные полупроводники наносят тонким слоем на стеклянный лист. При прямом подключении к модулям аморфные солнечные элементы герметично закрываются второй стеклянной пластиной. Толщина слоев менее 1 мкм. Из-за более низких материальных затрат затраты на производство также значительно ниже.

Тонкопленочные солнечные модули — экономичный вариант использования солнечной энергии. Однако эффективность тонкопленочной ячейки составляет всего 6–8 процентов.Несколько более высокую эффективность тонкопленочной ячейки можно получить, например, с новыми материалами. К ним относятся теллурид кадмия (CdT) и медь-индий-диссидент (CIS). Эффективность тонкопленочной ячейки может быть увеличена до 8-10 процентов.

Солнечный модуль фотогальванической системы

Для проектирования солнечного модуля отдельные солнечные элементы соединяются между собой и упаковываются для защиты от атмосферных воздействий. Сверху солнечные модули, как обычно, защищены стеклопакетом.Снизу на солнечные модули натягивается защитная пленка. Между солнечными батареями остаются меньшие промежутки, сквозь которые можно смотреть. Отдельные солнечные модули доступны в различных размерах. Мощность от нескольких ватт до 300 ватт.

В среднем модули имеют выходную мощность от 130 до 250 Вт. Все солнечные модули изготавливаются в соответствии с действующими стандартами и подлежат постоянному контролю. Гарантируется высочайшее качество.

Солнечный модуль — один из самых легких, весом от 10 до 15 килограммов на квадратный метр.Размер солнечного модуля может варьироваться.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.