Как работают солнечные батареи. Схема устройства солнечной батареи и принцип работы

Мы часто пишем про различные виды альтернативной энергетики, в том числе про солнечную. Этой статьей начинается цикл статей про принципы работы различных устройств работающих на возобновляемой энергии. И первое что будет рассмотрено - солнечные батареи. Солнечная энергия в последнее время используется повсюду: в естественном освещении помещений, нагрева воды, сушки и иногда даже в приготовлении пищи. Однако самым важным использованием энергии солнца является, пожалуй, генерация электричества. И главный элемент такой генерации - солнечная батарея!

Строение солнечных батарей

Солнечная батарея состоит из фотоэлементов, соединенных последовательно и параллельно. Все фотоэлементы располагаются на каркасе из непроводящих материалов. Такая конфигурация позволяет собирать солнечные батареи требуемых характеристик (тока и напряжения). Кроме того, это позволяет заменять вышедшие из строя фотоэлементы простой заменой.

Принцип работы

Принцип работы фотоэлементов из которых состоит солнечная батарея основан на фотогальваническом эффекте. Этот эффект наблюдал еще Александр Эдмонд Беккерель в 1839 году. Впоследствии работы Эйнштейна в области фотоэффекта позволили описать явление количественно. Опыты Беккереля показали, что лучистую энергию солнца можно трансформировать в электричество с помощью специальных полупроводников, которые позже получили название фотоэлементы.

Вообще такой способ получения электричества должен быть наиболее эффективным, потому что является одноступенчатым. По сравнению с другой технологией преобразования солнечной энергии через термодинамический переход (Лучи -> Нагревание воды -> Пар -> Вращение турбины -> Электричество), меньше энергии теряется на переходы.

Строение фотоэлемента

Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разной проводимостью. К слоям с разных сторон подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью (электронная проводимость), роль анода - p-слой (дырочная проводимость).

Ток в n-слоя создается движение электронов, которые «выбиваются» при попадании на них света за счет фотоэффекта. Ток в p-слое создается «движением дырок». «Дырка» - атом, который потерял электрон, соответственно, перескакивание электронов с «дырки» на «дырку» создает «движение» дырок, хотя в пространстве сами «дырки» конечно не двигаются.

На стыке слоев с n- и p-проводимостью создается p-n-переход. Получается своего рода диод, которые может создавать разность потенциалов за счет попадание лучей света.

Физический механизм действия

Когда лучи света попадают на n-слой, за счет фотоэффекта образуются свободные электроны. Кроме этого, они получают дополнительную энергию и способны «перепрыгнуть» через потенциальный барьер p-n-перехода. Концентрация электронов и дырок изменяется и образуется разность потенциалов. Если замкнуть внешнюю цепь через нее начнет течь ток.

Разность потенциалов (а соответственно и ЭДС) которую может создавать фотоэлемент зависит от многих факторов: интенсивности солнечного излучения, площади фотоэлемента, КПД конструкции, температуры (при нагревании проводимость падает).

Из чего делают фотоэлементы?

Самый первый в мире фотоэлемент появился в 1883 году в лаборатории Чарьза Фриттса. Он был изготовлен из селена, покрытого золотом. Увы, но такой набор материалов показал невысокие результаты - около 1% КПД.

Революция в использовании фотоэлементов произошла тогда, когда в недрах лаборатории компании «Bell Telephone» был создан первый элемент на кремнии. Компания нуждалась в источнике электроэнергии для телефонных станцией, и, можно сказать, была первой компанией, которая использовала альтернативный источник на солнечной энергии.

Кремний до сих пор остается основных материалом для производства фотоэлементов. Вообще кремний (Silicium, Silicon) - второй по распространенности элемент на Земле, запасы его огромны. Однако в промышленном его использовании есть одна большая проблема - его очистка. Процесс этот очень трудоемкий и затратный, поэтому чистый кремний стоит дорого. Сейчас ведется поиск аналогов, которые бы не уступали кремнию по КПД. Перспективными считаются соединения меди, индия, селена, галлия и кадмия, а также органические фотоэлементы.

Солнечные батареи (Сборки)

Однако разность потенциалов, создаваемая одним фотоэлементов, мала для промышленного применения. Чтобы иметь возможность использовать солнечные элементы для электропитания устройств, их соединяют вместе. Тем самым получаются солнечные батарей (солнечные сборки, солнечные модули). Кроме того, фотоэлементы покрывают различными защитными слоями из стекла, пластмассы, различных пленок. Это делают для того, чтобы защитить хрупкий элемент.

Основной рабочей характеристикой солнечной батареи является пиковая мощность, которую выражают в Ваттах (Вт, W). Эта характеристика показывает выходную мощность батареи в оптимальных условиях: солнечном излучении 1 кВт/м 2 , температуре окружающей среды 25 o C, солнечном спектре шириной 45 o (АМ1,5). В обычных условиях достичь таких показателей удается крайне редко, освещенность ниже, а модуль нагревается выше (до 60-70 градусов).

Соединяя фотоэлементы последовательно мы повышаем разность потенциалов, соединяя параллельно - ток. Таким образом комбинируя соединения можно добиться требуемых параметров по току и напряжению, а следовательно и по мощности. Кроме того, последовательно или параллельно можно соединять не только фотоэлементы в рамках одной солнечной батареи, но и солнечные батареи в целом.

Солнце – это неисчерпаемый источник энергии. Его можно использовать, сжигая деревья или нагревая воду в солнечных нагревателях, преобразуя полученное тепло в электроэнергию. Но есть устройства, превращающие солнечный свет в электричество напрямую. Это солнечные батареи.

Сфера применения

Есть три направления использования солнечной энергии:

Экономия электроэнергии. Солнечные панели позволяют отказаться от централизованного электроснабжения или уменьшить его потребление, а также продавать излишки электричества электроснабжающей компании.
Обеспечение электроэнергией объектов, подведение к которым линии электропередач невозможно или невыгодно экономически. Это может быть дача или охотничий домик, находящийся далеко от ЛЭП. Такие устройства используются также для питания светильников в отдаленных участках сада или автобусных остановках.
Питание мобильных и переносных устройств. При походах, поездках на рыбалку и других подобных мероприятиях есть необходимость зарядки телефонов, фотоаппаратов и прочих гаджетов. Для этого также используются солнечные элементы.

Солнечные батареи удобно применять там, куда нельзя подвести электричество

Принцип работы

Элементы солнечных батарей представляют собой пластинки из кремния толщиной 0,3 мм. Со стороны, на которую попадает свет, в пластину добавлен бор. Это приводит к появлению избыточного количества свободных электронов. С обратной стороны добавлен фосфор, что приводит к образованию «дырок». Граница между ними называется p-n переход. При попадании света на пластину, он «выбивает» электроны на обратную сторону. Так появляется разность потенциалов. Вне зависимости от размера элемента, одна ячейка развивает напряжение 0,7 В. Для увеличения напряжения, их соединяют последовательно, а для повышения силы тока – параллельно.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

В некоторых конструкциях, для увеличения мощности, над элементами устанавливались линзы или использовалась система зеркал. С уменьшением стоимости батарей такие устройства стали неактуальными.

Максимальный КПД панели, а, следовательно, и мощность, достигается при падении света под углом 90 градусов. В некоторых стационарных устройствах батарея поворачивается вслед за солнцем, но это сильно удорожает и утяжеляет конструкцию.

Принцип работы солнечной батареи

Преимущества и недостатки применения батарей

У солнечных панелей, как и у любых устройств, есть достоинства и недостатки, связанные с принципом действия и особенностями конструкции.

Достоинства солнечных батарей:

Автономность. Позволяют обеспечить электроэнергией удаленные здания или светильники и работу мобильных устройств в походных условиях.
Экономичность. Для выработки электроэнергии используется свет солнца, за который не нужно платить. Поэтому ФЭС (фотоэлектрические системы) окупаются за 10 лет, что меньше срока службы, составляющего более 30. Причем 25–30 лет – это гарантийный срок, а фотоэлектростанция будет работать и после него, принося прибыль владельцу. Конечно, необходимо учесть периодическую замену инверторов и аккумуляторных батарей, но все равно, использование такой электростанции помогает экономить средства.
Экологичность. При работе устройства не загрязняют окружающую среду и не шумят, в отличие от электростанций, работающих на других видах топлива.

Кроме достоинств, у ФЭС есть недостатки:

Высокая цена. Такая система стоит довольно дорого, особенно с учетом цены на аккумуляторные батареи и инверторы.
Большой срок окупаемости. Средства, вложенные в фотоэлектростанцию, окупятся только через 10 лет. Это больше, чем основная масса других вложений.
Фотоэлектрические системы занимают много места – всю крышу и стены здания. Это нарушает дизайн сооружения. Кроме того, аккумуляторные батареи большой емкости занимают целую комнату.
Неравномерность выработки электроэнергии. Мощность устройства зависит от погоды и времени суток. Это компенсируется установкой аккумуляторных батарей или подключением системы к сети. Это позволяет в хорошую погоду днем продавать излишки электроэнергии электрокомпании, а ночью наоборот подключать оборудование к централизованному электроснабжению.

Технические характеристики: на что обратить внимание

Главным параметром фотоэлементной системы является мощность. Напряжение такой установки достигает максимума при ярком свете и зависит от количества соединенных последовательно элементов, которое почти во всех конструкциях равно 36. Мощность зависит от площади одного элемента и количества цепочек по 36 штук, соединенных параллельно.

Кроме самих батарей, важно подобрать контроллер зарядки аккумуляторов и инвертор, преобразующий заряд аккумуляторных батарей в напряжение сети, а также сами панели.

В аккумуляторных батареях есть допустимый ток зарядки, который нельзя превышать, иначе система выйдет из строя. Зная напряжение аккумуляторов, легко определить мощность, необходимую для зарядки. Она должна быть больше мощности солнечной электростанции, иначе в солнечный день часть энергии окажется неиспользованной.

Контроллер обеспечивает заряд аккумуляторов и также должен иметь мощность, позволяющую полностью использовать энергию солнца.

К инвертору подключается оборудование, получающее энергию от ФЭС, поэтому его мощность должна соответствовать суммарной мощности электроприборов.

Виды солнечных батарей

Кроме размера и мощности, панели отличаются способом, которым изготавливаются из кремния отдельные элементы.

Внешний вид моно- и поликристаллических панелей

Элементы из монокристаллического кремния

Элементы солнечных батарей, изготовленные из монокристаллического кремния, имеют форму квадрата с закругленными углами. Это связано с технологией изготовления:

из расплавленного кремния высокой степени очистки выращивается кристалл цилиндрической формы;
после остывания у цилиндра обрезаются края, и основание из круга принимает форму квадрата с закругленными углами;
получившийся брусок разрезается на пластины толщиной 0,3 мм;
в пластины добавляются бор и фосфор и на них наклеиваются контактные полоски;
из готовых элементов собирается ячейка батареи.

Готовая ячейка закрепляется на основании и закрывается стеклом, пропускающим ультрафиолетовые лучи или ламинируется.

Такие устройства отличаются самым высоким КПД и надежностью, поэтому устанавливаются в важных местах, например, в космических аппаратах.

Фотоэлементы из мульти-поликристаллического кремния

Кроме элементов из цельного кристалла, есть устройства, в которых фотоэлементы изготавливаются из поликристаллического кремния. Технология производства похожа. Основное отличие в том, что вместо кристалла круглой формы используется прямоугольный брусок, состоящий из большого количества мелких кристаллов различных форм и размеров. Поэтому элементы получаются прямоугольной или квадратной формы.

В качестве сырья берутся отходы производства микросхем и фотоэлементов. Это удешевляет готовое изделие, но ухудшает его качество. Такие устройства имеют меньший КПД – в среднем 18% против 20–22% у монокристаллических батарей. Однако вопрос выбора достаточно сложный. У разных производителей цена одного киловатт мощности монокристаллических и поликристаллических панелей может быть одинаковой или в пользу любого вида устройств.

Фотоэлементы из аморфного кремния

В последние годы распространение получили гибкие батареи, которые легче жестких. Технология их изготовления отличается от технологии изготовления моно- и поликристаллических панелей – на гибкую основу, обычно стальной лист, напыляются тонкие слои кремния с добавками до достижения необходимой толщины. После этого листы разрезаются, к ним приклеиваются токопроводящие полоски и вся конструкция ламинируется.

Солнечные батареи из аморфного кремния

КПД таких батарей примерно в 2 раза меньше, чем у жестких конструкций, однако, они легче и более прочные за счет того, что их можно сгибать.

Такие приборы дороже обычных, но им нет альтернативы в походных условиях, когда основное значение имеет легкость и надежность. Панели можно нашить на палатку или рюкзак, и заряжать аккумуляторы во время движения. В сложенном виде такие устройства похожи на книгу или свернутый в рулон чертеж, который можно поместить в футляр, напоминающий тубус.

Кроме зарядки мобильных устройств в походе, гибкие панели устанавливаются в электромобилях и электросамолетах. На крыше такие приборы повторяют изгибы черепицы, а если в качестве основы использовать стекло, то оно приобретает вид тонированного и его можно вставить в окно дома или теплицу.

Контроллер заряда для солнечных батарей

У прямого подключения панели к аккумулятору есть недостатки:

Аккумулятор с номинальным напряжением 12 В будет заряжаться только при достижении напряжения на выходе фотоэлементов 14,4 В, что близко к максимальному. Это значит, что часть времени батареи заряжаться не будут.
Максимальное напряжение фотоэлементов – 18 В. При таком напряжении ток заряда аккумуляторов будет слишком большим, и они быстро выйдут из строя.

Для того чтобы избежать этих проблем необходима установка контроллера заряда. Самыми распространенными конструкциями являются ШИМ и МРРТ.

ШИМ-контроллер заряда

Работа ШИМ-контроллера (широтно-импульсная модуляция – англ. pulse-width modulation — PWM) поддерживает постоянное напряжение на выходе. Это обеспечивает максимальную степень заряда аккумулятора и его защиту от перегрева при зарядке.

МРРТ-контроллер заряда

МРРТ-контроллер (Maximum power point tracker – слежение за точкой максимальной мощности) обеспечивает такое значение выходного напряжения и тока, которое позволяет максимально использовать потенциал солнечной батареи вне зависимости от яркости солнечного света. При пониженной яркости света он поднимает выходное напряжение до уровня, необходимого для зарядки аккумуляторов.

Такая система есть во всех современных инверторах и контроллерах зарядки

Виды аккумуляторов, используемых в батареях

Различные виды аккумуляторов, которые можно использовать для солнечной батареи

Аккумуляторы – важный элемент системы круглосуточного электроснабжения дома солнечной энергией.

В таких устройствах используются следующие виды аккумуляторов:

стартерные;
гелевые;
AGM батареи;
заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы.

Аккумуляторы других типов, например, щелочные или литиевые дорогие и используются очень редко.

Все эти виды устройств должны работать при температуре от +15 до +30 градусов.

Стартерные аккумуляторы

Самый распространенный тип аккумуляторов. Они дешевы, но обладают большим током саморазряда. Поэтому через несколько пасмурных дней батареи разрядятся даже при отсутствии нагрузки.

Недостатком таких устройств является то, что при работе происходит газовыделение. Поэтому их необходимо устанавливать в нежилом, хорошо проветриваемом помещении.

Кроме того, срок службы таких аккумуляторов до 1,5 лет, особенно при многократных циклах заряд-разряд. Поэтому в долгосрочной перспективе эти устройства окажутся самыми дорогими.

Гелевые аккумуляторы

Гелевые аккумуляторы –изделия, не требующие обслуживания. При работе отсутствует газовыделение, поэтому их можно устанавливать в жилой комнате и помещении без вентиляции.

Такие устройства обеспечивают большой выходной ток, имеют высокую емкость и низкий ток саморазряда.

Недостаток таких приборов в высокой цене и небольшом сроке службы.

AGM батареи

Эти батареи имеют небольшой срок службы, однако, у них есть много преимуществ:

отсутствие газовыделения при работе;
небольшими размерами;
большим количеством (около 600) циклов заряда-разряда;
быстрым (до 8 часов) зарядом;
хорошей работой при неполном заряде.

AGM батарея изнутри

Заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы

Такие устройства являются самыми надежными и имеют наибольший срок службы. Они обладают низким током саморазряда и высокой энергоемкостью.

Эти качества делают такие приборы наиболее популярными для установки в фотоэлементных системах.

Как определить размер и количество фотоэлементов?

Необходимые размер и количество фотоэлементов зависит от напряжения, силы тока и мощности, которые нужно получить от батареи. Напряжение одного элемента в солнечный день равно 0,5 В. При облачности оно намного ниже. Поэтому для зарядки аккумуляторов 12 В, соединяются последовательно 36 фотоэлементов. Соответственно, для аккумуляторов 24 В необходимо 72 элемента и так далее. Общее их количество зависит от площади одного элемента и необходимой мощности.

Один квадратный метр площади батареи, с учетом КПД, может выдать приблизительно 150 Вт. Точнее можно определить по метеорологическим справочникам, показывающим количество солнечной радиации в месте установки гелиооэлектростанции или в интернете. КПД устройства указан в паспорте.

При изготовлении фотоэлектростации своими руками необходимое количество элементов определяется по мощности одного элемента в данном климате с учетом КПД.

Расчет количества солнечных батарей исходит из необходимого электричества

Эффективность солнечных батарей зимой

Несмотря на то что зимой солнце поднимается ниже, поток света уменьшается незначительно, особенно после выпадения снега.

Основных причин, по которым солнечные элементы зимой менее эффективны три:

Меняется угол падения лучей. Для того чтобы сохранять мощность, угол наклона батареи необходимо менять хотя бы раз в сезон, а лучше каждый месяц.
Снег, особенно влажный, налипает на поверхность устройства. Его необходимо убирать сразу после выпадения.
Зимой меньше продолжительность светлого времени суток, а также больше пасмурных дней. Изменить это невозможно, поэтому приходится рассчитывать мощность батареи по зимнему минимуму.

Правила установки

Максимальная мощность панели достигается в положении, при котором солнечные лучи падают перпендикулярно. Это необходимо учитывать при установке. Важно также учесть, в какое время суток минимальная облачность. Если угол наклона крыши и ее положение не соответствуют требованиям, то оно исправляется регулировкой основания.

Между батареей и крышей должен быть воздушный зазор 15–20 сантиметров. Это необходимо для протекания дождя и предохранения от перегрева.

Фотоэлементы плохо работают в тени, поэтому следует избегать располагать их в тени от зданий и деревьев.

Электростанции из солнечных фотоэлементов – это перспективный экологически чистый источник энергии. Их широкое применение позволит решить проблемы с нехваткой энергии, загрязнением окружающей среды и парниковым эффектом.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 %.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества солнечных батарей:

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

Недостатки:

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

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.

Альтернативные источники энергии, преобразующие солнечный свет в электричество, становятся все более востребованными в быту и промышленности. Они используются в авиации, космических разработках, электронике, для создания экологически безопасного транспорта. Но самой перспективной считается отрасль энергообеспечения зданий: питание бытовых приборов и системы отопления дома, нагрев горячей воды. К преимуществам относят: независимость от времени года и коммунальных служб, возможность аккумулирования запаса энергии, надежность и долгий срок службы. Но для достижения максимального эффекта от применения важно знать принцип действия батарей и соблюдать условия их монтажа и эксплуатации.

Фотоэлектрические преобразователи или солнечные аккумулирующие батареи представляют собой пластину со свойствами полупроводника, вырабатывающую постоянный ток при попадании на нее световых лучей. Основой может быть кремний (наиболее распространенный вид) и его соединения с медью, галлием, кадмием, индием, амфорные, органические или химические фотоэлементы, полимерная пленка.

Каждый материал имеет свой коэффициент ФЭП солнечных лучей (от 5 до 30 %) и, как следствие - вырабатывает определенную мощность при равной интенсивности светового потока. Многое зависит от площади батареи, одиночный кристалл полупроводника производит незначительное количество энергии, в среднем для получения 0,15 кВт потребуется 1 м2 панели. Исключение составляют инновационные многослойные полимерные соединения (монокристаллы), их КПД достигает 30 %, но эта технология еще недоступна рядовому потребителю.

Помимо пластины, в схему солнечной батареи входят вспомогательные приборы (для передачи, распределения и аккумулирования энергии):

Инвертор или преобразователь постоянного тока.
Накопитель для бесперебойной работы системы в ночное время или в пасмурную погоду.
Стабилизатор напряжения.
Контроллер для отслеживания заряда.

В зависимости от площади используются миниатюрные маломощные батареи (до 10 Вт) либо большие стационарные панели. Первые относятся к переносным (популярны для зарядки ноутбука, калькулятора, мобильных устройств). Вторые чаще служат для энергоснабжения и отопления дома, размещаются обычно на крыше. Так как мощность батарей полностью пропорциональна солнечной интенсивности, стало целесообразным размещать отслеживающие панели (изменяющие угол расположения, в зависимости от движения Солнца). Толщина вариантов из полупроводника незначительна (от 10 мкм до 10 см), но с учетом вспомогательных приборов модули весят больше, что учитывается при просчете нагрузки на стропила и поверхность крыши.

Принцип фотоэлектрического преобразования

Для того чтобы понять как работает солнечная батарея, следует вспомнить школьный курс физики. При попадании света на пластину из двух слоев полупроводников разной проводимости возникает эффект p-n перехода, электроны из катода покидают свои атомы и захватываются на уровне анода. При подключении в схему нагрузки (аккумулятора) они отдают свою положительно заряженную энергию и возвращаются в n-слой. Это явление более известно как «внешний фотоэффект», а двухслойная пластина как «фотоэлемент». Чаще всего применяется один и тот же материал: базовый полупроводник с определенным типом проводимости покрывается слоем с противоположным зарядом, но с высокой концентрацией легирующих примесей.

Этот принцип работы солнечных батарей неизменен с момента открытия эффекта; именно на границе зон осуществляется электронно-дырочный переход. При воздействии солнечных лучей в обоих направлениях проходит движение разнозаряженных частиц, при замыкании контура ФЭП они осуществляют работу на нагрузку. Для полноценной передачи (сбора и отвода электронов) используется контактная система (внешняя сторона батареи напоминает сетку или гребенку, а тыльная обычно сплошная). Чем выше площадь p-n перехода и коэффициент фотоэлектрического преобразования полупроводника, тем большую мощность производит устройство. Физическое явление и принцип работы не зависят от температуры воздуха, важна лишь интенсивность солнечного света. Как следствие, на величину КПД панели оказывают влияние погодные условия, климат, сезон, географическая широта.

Способы повысить эффективность батареи

Даже в средней полосе России установка солнечных аккумуляторов окупается за 3–5 лет, ведь лучи абсолютно бесплатны и доступны круглый год. Но для полноценного отопления дома в 100 м2 полезной площади потребуется около 30 м2 панелей. Для усиления принципа фотоэффекта рекомендуется провести следующие работы:

Разместить батареи на южной стороне под углом не менее 30°.
Не монтировать солнечные панели под тенью высоких деревьев.
Раз в 2 года очищать поверхность от грязи.
Установить отслеживающие солнечный свет системы.

Полностью отказываться от внешнего энергоснабжения не стоит, даже современные комплексы не способны аккумулировать достаточное количество энергии для полноценного обеспечения здания при длительной непогоде. Лучше всего использовать их как часть комбинированной системы.

Сегодня у всех на слуху понятие альтернативной энергетики. Уже ни для кого не секрет, что запасы нефти, газа и других видов топлива на Земле не безграничны, поэтому ученые и инженеры продолжают искать возможности эффективного применения возобновляемых ресурсов для получения столь необходимого всем электричества. В последние годы солнечные элементы перестали быть экзотикой, используемой только в космических аппаратах, они получили широкое распространение для электроснабжения зданий, автомобилей, автономного питания мелкой бытовой техники и электроники. Поскольку Солнце – огромный источник энергии, который доступен каждому, полезно знать, как преобразовать свет в электричество или как работает солнечная батарея.

Принцип работы солнечной батареи

Это устройство, называемое также солнечной панелью, состоит из совокупности соединенных определенным способом фотоэлектрических преобразователей, в состав которых входят два слоя полупроводников с различными типами проводимости – p и n. В качестве вещества, обладающего такими свойствами, чаще всего используется кремний с определенными примесями. При добавлении к нему фосфора в полученной структуре возникает избыток электронов (отрицательных зарядов) и образуется полупроводник n-типа, а при подмешивании бора – p-типа, характеризуемый недостатком электронов или наличием дырок. Если разместить эти слои между двумя электродами так, как показано на картинке, и обеспечить к верхнему доступ света, получится фотоэлектрический преобразователь.

При освещении элемента им поглощается часть падающей энергии, в результате чего происходит дополнительная генерация дырок и электронов. Электрическим полем, существующим в p-n переходе, первые перемещаются в p-область, а вторые – в n-область. При этом на нижнем электроде скапливаются положительные заряды, на верхнем – отрицательные, то есть возникает разность потенциалов – постоянное напряжение U. Таким образом, фотоэлектрический преобразователь работает как источник электродвижущей силы (ЭДС) – небольшая батарейка. Если к ней подсоединить нагрузку, в цепи возникнет ток I, значение которого будет зависеть от вида фотоэлемента, его размеров, интенсивности солнечного излучения и сопротивления подключенных потребителей. ЭДС батареи снижается с повышением температуры приблизительно на 0,4%/°С. Поэтому для эффективной и долговременной работы панель необходимо охлаждать с помощью вентиляторов или водяных систем.

Важнейшим параметром солнечного источника энергии является мощность P=UI. Естественно, что ток и напряжение, получаемые в результате работы одного фотоэлемента, невелики, поэтому в батарее они комбинируются определенным образом для увеличения указанных показателей. Если соединить преобразователи последовательно, то общее выходное напряжение будет пропорционально их количеству. Параллельное подключение отдельных элементов приводит к увеличению тока. Сочетая определенным образом оба типа соединений так, как показано на картинке, получают требуемые выходные параметры батареи, а следовательно, и ее мощность.

При освещении батареи не вся энергия солнечного излучения преобразуется в электричество – часть ее отражается, а также тратится на нагрев элементов. Большинство выпускаемых промышленностью фотоэлектрических панелей имеют эффективность 9-24%. Также важно знать, как работает солнечная батарея в условиях, когда некоторые из элементов затемнены. В данном случае преобразователи, на которые не попадает солнечный свет, будут превращаться в потребителей энергии и нагреваться. Поэтому группы фотоэлементов шунтируются низкоомными диодами, препятствующими прохождению тока через затемненные компоненты батареи. Панель при этом будет функционировать с меньшей мощностью.

Преобразование энергии, полученной с помощью солнечных батарей

Фотоэлектрические элементы вырабатывают постоянное напряжение, но многие виды аппаратуры питаются переменным, что требует наличия соответствующих преобразователей. Кроме того, солнечные батареи производят электричество днем, а его потребление происходит круглосуточно, следовательно, необходимы дополнительные компоненты, которые будут запасать и распределять энергию. Рассмотрим пример системы электроснабжения здания с использованием солнечных источников – небольшой гелиоэлектростанции, структура которой представлена на картинке.

Эта схема может функционировать в зданиях, где присутствует электросеть, а солнечная батарея используется для экономии потребления энергии из нее, а также в качестве резервного источника при отключении основного. Общий принцип работы системы такой: постоянное напряжение, вырабатываемое фотоэлектрическими преобразователями, поступает на инвертор, преобразующий его в переменное, и на аккумуляторы, которые, заряжаясь под управлением специального контроллера, накапливают энергию.

В данном случае приборы в доме подразделяются на резервируемые – те, для которых отключение электричества может привести к нежелательным последствиям (холодильник, системы видеонаблюдения, сигнализации), и нерезервируемые – все остальные. При отключении сети инвертор питает резервируемые устройства от солнечной батареи, а если энергии от нее недостаточно, то от аккумуляторов. Когда сеть подключена, электричество, вырабатываемое панелью, в первую очередь поступает на их зарядку. А когда в этом уже нет необходимости, инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное, от которого питается нагрузка. Тем самым экономится потребление из основного источника.

Солнечные батареи могут использоваться без рассмотренной дополнительной аппаратуры для питания или зарядки портативной электронной техники, работающей от постоянного напряжения, например, калькуляторов, плееров, фонариков, мобильных устройств.

Помимо электричества, из энергии света можно непосредственно получать тепло. Для этого применяются солнечные коллекторы. Учитывая, что сегодня прослеживаются тенденции снижения стоимости фотоэлектрических преобразователей и повышения их эффективности, в целом гелиоэнергетика – перспективное направление, позволяющее бесшумным и экологически чистым способом получать бесплатное электричество, а также тепло для отопления и горячего водоснабжения.