Солнечные батареи: принцип работы панелей, кпд и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии.

В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию.

Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца.

В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный.

Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Немного истории

Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века.

Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций.

Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.

Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают

Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной. Современные устройства напрямую преобразуют солнечные лучи в ток благодаря понятию фотоэлектрический эффект.

Современный принцип работы солнечной батареи был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы солнечной батареи на практике.

Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают

Принцип работы

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины.

Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение.

Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.

Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают

Устройство

Конструкция солнечной батареи очень проста.

Основу конструкции устройства составляют:

  • корпус панели;
  • блоки преобразования;
  • аккумуляторы;
  • дополнительные устройства.

Корпус выполняет исключительно функцию скрепления конструкции, не имея больше никакой практической пользы.

Основными элементами являются блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний. Можно сказать, что состоят солнечные батареи, устройство и принцип работы которых всегда одинаковый, из каркаса и двух тонких слоев кремния, который может быть нанесен на поверхность, как монокристаллическим, так и поликристаллическим методом.

Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают

От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность. Если кремний наносится монокристаллическим способом, то эффективность батареи будет максимально высокой, как и стоимость.

Если говорить о том, как работает солнечная батарея, то не нужно забывать об аккумуляторах. Как правило, используется два аккумулятора. Один является основным, второй — резервным. Основной накапливает электроэнергию, сразу же направляя ее в электрическую сеть. Второй накапливает избыточную электроэнергию, после чего направляет ее в сеть, когда напряжение падает.

Среди дополнительных устройств можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата.

Очень важными элементами солнечной назвать диоды. Данный элемент устанавливается на каждую четвертую часть блока преобразователей, защищая конструкцию от перегрева из-за избыточного напряжения. Если диоды не установлены, то есть большая вероятность, что после первого дождя система выйдет из строя.

Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают

Как подключается

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

Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают

Разновидности солнечных батарей

Существует несколько разновидностей фотоэлементов для солнечных батарей, которые отличаются между собой строением кристаллов кремния.

Выделяют три вида фотоэлементов:

  • поликристаллические;
  • монокристаллические;
  • аморфные.

Первый вид панелей является более дешевым, но менее эффективным, поскольку, если кремний нанесен поликристаллическим способом, то электроны не могут двигаться прямолинейно.

Монокристаллические фотоэлементы отличаются максимальным КПД, который достигает 25 %. Стоимость таких батарей выше, но для получения 1 киловатта нужна существенно меньшая площадь фотоэлементов, чем при использовании поликристаллических панелей.

Из аморфного кремния изготавливают гибкие фотоэлементы, но их КПД самый низкий и составляет 4-6 %.

Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают

Преимущества и недостатки

Основные преимущества солнечных батарей:

  • солнечная энергия абсолютно бесплатная;
  • позволяют получать экологически чистую электроэнергию;
  • быстро окупаются;
  • простая установка и принцип работы.

Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают

Недостатки:

  • большая стоимость;
  • для удовлетворения потребностей небольшой семьи в электроэнергии нужна достаточно большая площадь фотоэлементов;
  • эффективность существенно падает в облачную погоду.

Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают

Как добиться максимальной эффективности

При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час.

В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.

Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.

Каждый день солнце светит в среднем по 9 часов, если брать среднегодовой показатель. За один день квадратный метр поверхности преобразователя способен выработать 1 киловатт электроэнергии. Если за сутки жильцами дома израсходуется приблизительно 20 киловатт электроэнергии, то минимальная площадь солнечных панелей должна составлять приблизительно 40 квадратных метров.

Однако, такой показатель потребления электроэнергии на практике встречается редко. Как правило, жильцы израсходуют до 10 кВТ в сутки.

Если говорить о том, работают ли солнечные батареи зимой, то стоит помнить, что в данную пору года сильно снижается длительность светового дня, но, если обеспечить систему мощными аккумуляторами, то получаемой за день энергии должно быть достаточно с учетом наличия резервного аккумулятора.

При подборе солнечной батареи очень важно обращать внимание на емкость аккумуляторов. Если нужны солнечные батареи работающие ночью, то емкость резервного аккумулятора играет ключевую роль. Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке.

Несмотря на тот факт, что стоимость установки солнечных батарей может превысить 1 миллион рублей, затраты окупятся уже в течении нескольких лет, поскольку энергия солнца абсолютно бесплатна.

Видео

Как устроена солнечная батарея, расскажет наше видео.

Источник: https://solar-energ.ru/kak-rabotayut-solnechnye-batarei-printsip-ustrojstvo-materialy.html

Солнечные батареи: принцип работы, как сделать своими руками в домашних условиях

Использование солнечной энергии для обеспечения жизненных потребностей в 21 веке является актуальным вопросом не только для корпораций, но и для населения.

Теперь использование солнечных батарей для получения экологической электроэнергии привлекает много людей своей доступностью, автономностью, неиссякаемостью и минимальными вложениями.

Теперь эти явления настолько привычны и обыденны, что уже давно прочно обосновались в нашу каждодневную жизнь.

Данный источник электроэнергии используется для освещения, функционирования бытовых электроприборов и отопления. Уличные фонари на солнечных батареях используются повсеместно в городской черте, на дачных участках и территориях загородных коттеджей.

Содержание

Принцип работы солнечной батареи

Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делаютУстройство предназначено для непосредственного преобразования лучей солнца в электричество. Этот действие называется фотоэлектрическим эффектом. Полупроводники (кремневые пластины), которые используются для изготовления элементов, обладают положительными и отрицательными заряженными электронами и состоят их двух слоев n-слой (-) и р-слой (+). Излишние электроны под воздействием солнечного света выбиваются из слоев и занимают пустые места в другом слое. Это заставляет свободные электроны постоянно двигаться, переходя из одной пластины в другую вырабатывая электричество, которое накапливается в аккумуляторе.Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают

Как работает солнечная батарея, во многом зависит от ее устройства. Первоначально фотоэлементы изготавливались из кремния. Они и сейчас очень популярны, но поскольку процесс очистки кремния достаточно трудоемок и затратен, разрабатываются модели с альтернативными фотоэлементами из соединений кадмия, меди, галлия и индия, но они менее производительны.

КПД солнечных батарей с развитием технологий вырос. На сегодняшний день это показатель возрос от одного процента, который регистрировался в начале столетия, до более двадцати процентов. Это позволяет в наши дни использовать панели не только для обеспечения бытовых нужд, но и производственных.

Технические характеристики

Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:

  • Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;
  • Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;
  • Контроллер уровня заряда аккумулятора.

Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают

Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.

Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.

Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают

(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)

Читайте также:  Гостиная в стиле шале: фото интерьера с камином, дизайн кухни в квартире и на даче

Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.

Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.

Установка солнечных батарей

Если конструкции будут использоваться для электрообеспечения жилых пространств, то место установки следует выбирать тщательно.

Если панели будут загорожены высотными зданиями или деревьями, то трудно будет получить необходимую энергию. Их необходимо разместить там, где поток солнечных лучей максимален, то есть на южную сторону.

Конструкцию лучше установить под наклоном, угол которого равен географической широте месторасположения системы.

Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают

Солнечные панели должны размещаться таким образом, чтобы хозяин имел возможность периодически очищать поверхность от пыли и грязи или снега, поскольку это приводит к более низкой способности выработки энергии.

Солнечная батарея своими руками

Те, кто хочет сэкономить, задумываются, как сделать солнечную батарею в домашних условиях самостоятельно, чтобы она обладала необходимыми эксплуатационными параметрами и полностью обеспечивала энергетические потребност. Это особенно актуально для мест отдаленных от главных артерий цивилизации.

Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают

Солнечные батареи своими руками в домашних условиях изготавливаются из соответствующих элементов, которые можно купить в открытом доступе в специализированных компаниях или через интернет магазины. Если кремниевые пластины должны приобретаться у производителей, то остальные элементы, такие как лента, рамка, пленка, стекло, припой и прочее можно вполне обнаружить и дома в хозяйстве.

Солнечная батарея своими руками из подручных средств изготавливается некоторыми умельцами из медных листов, зажимов, мощных электроплит, соли и из других материалов. Такие кустарные устройства не смогут полностью обеспечить необходимой электроэнергией и могут использоваться лишь в небольших масштабах.

Лучше всего солнечные батареи купить у производителя, поскольку они обладают гарантией и необходимыми функциональными и эксплуатационными параметрами, и, значит, не подведут.

Производство солнечных батарей базируется на применении новейших технологий, которые постоянно развиваются, предлагая более усовершенствованные модели.

В зависимости от размеров устройств, они могут использовать для различных целей в местах, где нет снабжения электроэнергией. Они встречаются на калькуляторах, часах, различных мобильных устройствах.

Так, например, рюкзак с солнечной батареей будет незаменимым помощником тех, кто любит путешествовать с комфортом.

Он накопит достаточно энергии, чтобы зарядить фонарик для освещения туристической палатки или чтобы во время похода заряжать необходимые гаджеты.

Судя по отзывам, солнечные батареи используются часто и с удовольствием для удовлетворения разнообразных нужд не только на природе, но и в быту.

Современные устройства со встроенными солнечными модулями

  • Power bank с солнечной батареей – внешний накопитель с фотоэлементами для преобразования солнечных лучей в заряд аккумулятора. Он обладает несколькими портами и предназначен для зарядки смартфонов или планшетов. Это незаменимое устройство для тех кто, много времени тратят в дороге и пользуются гаджетами. Устройство, зависимо от модели может дополняться различными функциями, как, к примеру, фонариком.Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают
  • Робот конструктор – наборы с различными элементами, из которых можно собрать несколько конструкций, которые двигаются автономно. Это лучшая игрушка для любознательных детей. Робот конструктор на солнечной батарее купить интересно будет не только малышам, но и вполне взрослым дяденькам, поскольку захватывающим является не только движение робота, но и сам процесс сборки.Солнечные батареи: принцип работы панелей, КПД и устройство, виды для дома, как действуют кремниевые, из чего делают
  • Уличные садовые светильники на солнечных батареях – идеальное решение для сада, огорода или приусадебного участка. Благодаря накопленному заряду они будут светиться всю ночь. Для этого не нужно прокладывать специальную проводку. Их можно брать с собой на рыбалку или семейный поход. Чрезвычайная мобильность, компактность и удобство делают фонари самыми востребованными изделиями на солнечных батареях.

Возможности эксплуатации настолько разнообразны, а технологии так быстро развивается, что скоро солнечные модули охватят все сферы жизни современного человека.

Источник: https://mbhn.ru/solnechnye-batarei

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

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.

Солнечные батареи: терминология

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.

Установка из солнечных панелей позволяет рационально использовать бесплатную, к тому же неисчерпаемую энергию солнечных лучей Миниатюрные электростанции, собранные из солнечных батарей, обеспечат энергией неэлектрифицированные объекты и дома, расположенные в регионах с перебоями в поставке электричества Установки, перерабатывающие УФ излучение в электроэнергию, занимают минимум места. их располагают на крышах домов, хозпостроек, гаражей, беседок, веранд. Реже их располагают на открытых, не занятых постройками и насаждениями площадках Солнечные батареи — незаменимое оборудование для любителей путешествий. Оно обеспечит энергией вдали от источников электропитания Использование солнечной энергии предоставит возможность существенно сократить затраты на содержание дач и загородных домов. собрать и установить экономически полезную систему без затруднений можно собственными руками Расположенные на корме яхты, палубе корабля или носу катера солнечные батареи обеспечат электроэнергией, благодаря которой можно поддерживать стабильную связь с берегом Портативная солнечная панель с аккумулятором исключит возникновение экстремальных ситуаций вдали от населенных пунктов, гарантирует зарядку мобильных устройств для общения с близкими Выпускаемые специально для походов легкие компактные зарядные устройства на основе солнечных батарей обеспечат энергией телефоны, рации, планшеты и медиа-технику Рациональное использование природных ресурсовОбеспечение энергией неэлектрифицированных объектовМонтаж солнечных панелей на крышеМобильная солнечная батарея в кемпингеСамостоятельный монтаж на дачном участкеГенератор энергии в морских прогулкахПортативная солнечная панель с аккумуляторомЗанимающий минимум места прибор

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, т.е. солнечные панели используют для отопления дома.

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

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.

Читайте также:  Как правильно клеить обои от окна: когда можно открывать после поклейки, откуда начинать в комнате, через сколько

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.

Настоящим прорывов в области использования солнечной энергии стала разработка гибких панелей с аморфным фотоэлектрическим кремнием:

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 °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.

Солнце батарею из фотоэлементов в идеале должно освещать равномерно. Если один из ее участков оказывается затемненным, то неосвещенные ФЭП превращаются в паразитную нагрузку. Они не только в подобной ситуации не генерируют энергию, но еще и забирают ее у работающих элементов.

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.
  4. Инвертор (трансформатор).

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

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

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

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.

  1. Доступно и понятно, как работает фотоэлектрическая солнечная батарея, во всех подробностях:
  2. Как устроены солнечные батареи смотрите в следующем видеоролике:
  3. 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.

В ходе изучения материала появились вопросы? Или вы знаете ценную информацию по теме статьи и можете сообщить ее нашим читателям? Пожалуйста, оставляйте свои комментарии в расположенном ниже блоке.

Источник: https://sovet-ingenera.com/eco-energy/sun/princip-raboty-solnechnoj-batarei.html

Принцип работы солнечных батарей (панелей) для дома: схема действия и видео

Солнце является неисчерпаемым источником энергии, которую человечеству нужно научиться использовать в своих целях. Многие страны мира активно наращивают объём электроэнергии, получаемой из альтернативных источников, в том числе и от солнечной радиации.

Мощностей таких комплексов уже достаточно, чтобы организовать централизованное электроснабжения небольших городов.

В данной статье расскажем о видах и принципах работы солнечных панелей, схемах и вариантах использования солнечной энергии различными устройствами и приборами.

Энергию солнца можно использовать по-разному. Во-первых, на экономии электроэнергии, поступающей к потребителю из централизованных сетей.

Во-вторых, для организации автономного электроснабжения объектов, которые нельзя подключить к обычной линии электропередач. В-третьих, для питания отдельно стоящих электросветильников, зарядке АКБ, мобильных гаджетов.

У каждого такого прибора своя принципиальная схема солнечной батареи со своими особенностями.

Читайте также:  Шторы из обоев своими руками: сочетание цветов в интерьере, как подобрать, какие подойдут к сиреневым, фото

Какой принцип работы солнечных батарей?

Солнечные модули состоят из кремниевых фотоэлементов. Такой элемент представляет собой «сэндвич», в котором пластинка полупроводника находится между токопроводящими слоями.

В кристалле кремния каждый его атом соединяется с соседями прочными связями. В таком соединении электроны не могут покинуть свои места. Поэтому электрический ток здесь не течет.

Чтобы запустить данный процесс, необходимо соединить вместе два различных слоя кремния:

  1. Слой N, в котором имеется избыток электронов.
  2. Слой P, где есть свободные места для электронов.

Таким образом, в месте соединения 2-х слоев электроны могут свободно переходить от одного слоя к другому. Так, на одной стороне этого перехода будет положительный заряд, на другой отрицательный.

Эффективность работы фотоэлементов зависит от схемы их подключения. Максимум производительности и надежности можно добиться, если все фотоэлементы соединить между собой параллельно-последовательно.

Фотоэлементы не имеют подвижных частей. Поэтому их не надо обслуживать, и они физически не изнашиваются. Простота устройства и принципа работы солнечной батареи обеспечивает стабильную работу в течение 20-25 лет.

Виды солнечных батарей по схеме действия

Фотоэлементы, изготовленные из кремния, могут отличаться по своему кристаллическому строению. Пластины полупроводника могут быть:

  • Поликристаллические просты в изготовлении и стоят дешевле, но производительно у них в районе 12-15%;
  • Монокристаллические дают КПД до 20%, но стоят дороже;
  • Аморфные гибкие панели имеют низкий КПД, около 6-10%.

Понять разницу между видами модулей и принцип работы солнечной батареи можно ознакомившись с видео по изготовлению и работе тонкопленочной панели First Solar.

Области применения солнечных панелей

1. Особенности работы солнечной электростанции для дома и ее устройство

Принципиальная схема работы станции на основе солнечных батарей в комплексе с дополнительными приборами достаточно простая. Но чтобы ее понять, нужно изучить ее составляющие:

  • корпус;
  • фотоэлементы;
  • аккумуляторы;
  • инвертор.

Если кратко рассматривать принцип работы, то не нужно забывать об аккумуляторах для солнечных батарей. Если фотоэлемент подключить к потребителю напрямую, система будет работать не стабильно.

Поэтому в схему работы автономной электростанции на солнечных батареях включают АКБ. Чаще всего их два.

Первый аккумулирует электрический ток и сразу отправляет его потребителю, второй накапливает электричество и поставляет его в случае падения напряжения.

Особенностью устройства и принцип действия солнечных батарей является присутствие в ее схеме диодов Шоттки. Они защищают солнечные мини электростанции от перегрева. Без диодов вся энергосистема может выйти из строя после первого же дождя или тумана.

В бытовых условиях, да и на производстве большинство электропотребителей работают на переменном токе 220 В. Поскольку солнечный модуль вырабатывает постоянный ток напряжением 12/24/48 В, его необходимо трансформировать в переменный. В этом и заключается принцип работы инвертора солнечных батарей.

Инвертор состоит из следующих элементов:

  • низкочастотного адаптера;
  • варикапа на триодах;
  • динисторов;
  • обкладки.

Наибольшая мощность генерации достигается, когда панель располагается под прямым углом к вектору падения лучей света. Наиболее эффективно работают приборы с поворотным принципом действия солнечной батареи.

Но трекеры существенно повышают стоимость комплекса СЭС.
Принцип работы солнечных батарей для дома имеет много общего со схемой работы простого калькулятора с фотоэлементом для подзарядки.

Разница лишь в размерах составных частей электростанции и ее мощности.

2.Принцип работы фонарей и светильников на солнечных батареях

Уличные фонари на солнечных батареях имеют следующий принцип работы:

  • фотоэлементы, установленные на крышке прибора, генерируют электрический ток;
  • ток накапливается во встроенном аккумуляторе светильника;
  • из АКБ электричество поступает в контроллер, и он включает и выключает лампу.

Такой принцип работы имеют и садовые светильники на солнечных батареях. Только там все составляющие прибора гораздо меньшей мощности и размеров. Но и садовые светильники малопроизводительны и используются во основном для декоративных целей и подсветки дорожек.

3. Водонагреватель на солнечной энергии

Принцип работы солнечной батареи основан на преобразовании радиации, излучаемой Солнцем, в электрический ток. Этот процесс можно использовать не только для организации освещения территории и электропитания домашних приборов, но и в других целях. Например, для нагрева воды.

Принцип работы солнечных батарей для нагрева воды может быть двух типов:

  1. Прямой нагрев.
  2. Косвенного типа.

В первом случае нагретая вода циркулирует естественным путем. Во втором случае в водонагревателе используется двухконтурная система, с конденсатором в основном баке, который и передает тепло рабочей жидкости.

Фотоэлектрические панели можно смонтировать к ТЭНу, который и будет греть воду. Но этот принцип действия солнечных батарей достаточно энергозатратный и дорогой.

В теплое время года гораздо выгоднее использовать солнечный водонагреватель, представляющий собой ряд труб, размещенных на прогреваемом солнцем участке. Вода, нагретая в трубах, поступает в коллектор или напрямую в распределительный бак.

Конечно, недостатком такой системы является ее простой в холодное время года. Поэтому выгоднее использовать комбинированные системы.

Часто солнечные водонагреватели используют для подогрева воды в бассейнах, кратко принцип работы солнечных батарей в данном случае такой:

  • в непосредственной близости от бассейна устанавливаются солнечные батареи (коллектор) – ряд труб, окрашенных специальной, светопоглощающей краской, которая способствует быстрому нагреву воды в теплообменнике;
  • в чаше бассейна размещается датчик температуры;
  • при срабатывании датчика включается насос и подает воду в теплообменник, где она нагревается до заданной температуры;
  • как только вода в бассейне нагреется, датчик выключит насос.

Таким образом, солнечную энергию можно эффективно использовать и без дорогих фотоэлектрических панелей.

4. Зарядные устройства на солнечных батареях

Иметь в пользовании автономную мобильную миниэлектростанцию на солнечных батареях очень удобно и выгодно. Благодаря принципу действия солнечной батареи, такие устройства-зарядки могут работать с навигаторами, ноутбуками, телефонами и другими мобильными гаджетами. К преимуществам таких зарядок относят:

  • универсальность конструкции (они адаптированы к различным устройствам и комплектуются специальными переходниками);
  • имеют небольшие габариты;
  • не требуют специального обслуживания.
    В зарядных устройствах такого типа принцип работы солнечной батареи следующий:
  • кристаллы фотоэлементов перерабатывают солнечные лучи в электрический ток;
  • ток накапливается в АКБ;
  • при подключении к зарядке стороннего устройства, ток постепенно перетекает в его аккумуляторную батарею.

Сегодня в продаже имеются различные виды зарядок с фотоэлементами:

  1. Моноблоки. Этот девайс по форме напоминает сотовый телефон, только вместо дисплея у него расположена кремниевая панель. Зарядки данного вида хватит, чтобы запитать мобильный телефон или другой маломощный гаджет.
  2. Гибкая панель. Это тонкая пластина фотоэлементов, которую можно складывать или сворачивать. Ее вес намного меньше моноблока. Но, принцип работы солнечной панели такой конструкции основан на использовании аморфных кристаллов кремния. А значит, мощность зарядки будет небольшая.
  3. Встроенная зарядка. Принцип работы встроенного устройства с солнечной батареей данной конструкции очень интересен. Сама панель закреплена на наружной стороне сумки или рюкзака, внутри которых имеется небольшой аккумулятор, накапливающий электроэнергию, генерируемую фотоэлементами. При необходимости всегда можно подключиться к АКБ и запитать телефон, ноутбук или фонарик.
  4. Раскладушка. Это несколько гибких панелей, которые сложены стопкой. Для их использования нужно разложить батареи в одну линию. Преимуществом конструкции считается ее компактность в сложенном виде. Таким образом получается увеличить рабочую площадь, что обеспечивает высокую производительность зарядного устройства, в основе которого лежат солнечные панели. Принцип их работы аналогичен всем вышеперечисленным видам зарядок.

При покупке зарядного устройства на фотоэлементах нужно учитывать не только принцип работы солнечной панели, но и ее мощность, размеры, вес и характеристики АКБ.

5. Солнечные тепловые электростанции

Под солнечной электростанцией обычно подразумевается комплекс из батарей, которые генерируют электроэнергию, но ведь солнечную радиацию можно трансформировать и в тепло.

Принцип работы и применение солнечных батарей тепловых станций может быть разный. Классические виды таких сооружений:

  • башенные конструкции;
  • распределительные устройства.

Принцип работы солнечной станции башенного типа заключается в следующем:

  • в центре сооружения установлена высокая опора, на вершине которой расположен теплообменник;
  • вокруг опоры по кругу смонтирована система плоских зеркал, отраженный свет от которых фокусируется на теплообменнике;
  • под действием солнечных лучей теплоноситель в теплообменнике нагревается и передает тепловую энергию воде;
  • превращаясь в пар, вода приводит в действие генератор, который и производит электрический ток.

Устройство и принцип работы такой тепловой СЭС проще, но эффективней чем комплекса на солнечных батареях.

Устройство и принцип действия распределительных станций иной. В этом случае батарея с теплоносителем располагается в центре цилиндрических зеркал, половинки которых находятся на некотором расстоянии друг от друга. В результате в фокус отраженных солнечных лучей попадает батарея, состоящая из нескольких труб, заполненных теплоносителем.

Принцип работы станции распределительного типа более простой и эффективный, по сравнению с башенными конструкциями. Распределительные СЭС построены в США и Китае. По мощности они не уступают фотоэлектрическим аналогам.

На ютуб канале компании Green Tech Trade

можно посмотреть видео, объясняющее принцип работы солнечной батареи и процесс строительства полноценной электростанции.

Компания является официальным представителем производителя солнечных панелей и оказывает услуги по сопровождению, монтажу и запуску СЭС в Украине.

Источник: https://greentechtrade.com.ua/ru/pryntsyp-raboty-solnechnyh-batarej-dlya-doma/

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector