Как работает солнечная батарея: устройство и принцип действия, подробное видео

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 %

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

Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке

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.

Разновидности фотоэлементов

Солнечные батареи классифицируются по нескольким признакам:

• мощности;
• конструкции и структуре;
• материалу фотоэлектрического преобразователя.

Мощность солнечных элементов зависит от их площади и конструктивных особенностей. Промышленностью выпускается большое количество моделей: от миниатюрных (например, для портативной электроники) до крупногабаритных вариантов (для зданий, электростанций).

Конструктивно модули могут быть:

• гибкими;
• жесткими.

Использование тонкопленочных гибких моделей позволяет нивелировать некоторые неровности монтажной поверхности. В этом плане они универсальнее. Но гибкие панели дороже жестких аналогов.

По структуре панели бывают двухслойными и многослойными. КПД последних достигает 32 %, что на сегодняшний день делает их наиболее эффективным вариантом.

ФЭП по материалу фотоэлектрического слоя могут быть:

• кремниевыми;
• органическими;
• теллурий-кадмиевыми;
• арсенид-галлиевыми;
• полимерными.

Это далеко не полный перечень. Постоянно появляются новые материалы.

Выбираем солнечные панели для частного дома

Перед тем, как покупать солнечные панели в частный дом, узнайте:

• Суточное потребление электроэнергии в помещении;
• Место для установки панелей (направлены на юг при этом на них не должно быть тени и выставлен соответствующий угол наклона);
• Аккумуляторы размещаются в теплом помещении при этом температуре до 25 градусов по Цельсию;
• Учитывайте пиковые нагрузки электроприборов;
• Сезонное или постоянное использование системы.

Для регионов с высокой световой активностью лучше всего подойдут монокристаллические батареи. Для дачи или приусадебного участка, если планируется сезонное использование лучше всего подойдут микроморфные поликристаллические модели. Они сравнительно недорогие, хорошо воспринимают рассеянный, боковой свет и работают под углом в пасмурную погоду.

Пример расчетов

Дачный участок потребляет 3-6 кВт*ч электрической энергии, но этот показатель может быть выше при использовании большого количество электроприборов или дополнительного освещения дома. Трехэтажных коттедж потребляет от 20 до 50 кВт*ч и даже больше. На основе представленной информации произведем расчет.

№	Энергопотребители	Мощность, Вт	Количество	Время работы, ч	Потребляемая мощность в сутки, кВт*ч
1	Лампа	90	3	3	1
2	Лампа	50	3	3	0,56
3	ТВ	150	1	4	0,7
4	Насос	400	1	2	1
5	Холодильник	1200	1	2	3
6	Ноутбук	400	1	2	0,8
7	Спутники	20	1	4	0,9
	Всего:	—	—	—	7 кВт (с учетом потерь)

Энергоемкость коттеджа составляет 7 кВт (с учетом потерь). Если дом находится на Юге, где солнечного света достаточно для энергообеспечения, то понадобится порядка 20 батарей. Рабочая мощность одной панели – 400 Вт. Такого количество достаточно для энергоснабжения загородного участка, где постоянно проживает семья из 4-6 человек.

Преимущества и недостатки солнечных источников энергии

Преимущества:

• Экологически чистая энергия;
• Неисчерпаемость и постоянство солнечной энергии;
• Минимум обслуживания;
• Длительный срок службы;
• Доступность;
• Экономичность;
• Большая область применения.

Недостатки:

• Высокая цена панелей;
• Нерегулярность из-за погодных условий;
• Высокая цена аккумуляторных батарей для аккумулирования энергии;
• Для большей мощности необходимо устанавливать большие площади солнечных панелей.

Таким образом, анализируя все вышеупомянутое, можно отметить, что в данный момент получить выгоду от солнечной энергии могут лишь достаточно богатые собственники загородных домов. Они могут без проблем дождаться того этапа, когда батареи окупят себя.

Технология изготовления

Вначале следует спаять фотоэлементы между собой. Если вы купили элементы с металлическими выступами, то тогда можно просто спаять ушки батарей между собой. Делать это нужно очень внимательно и аккуратно. После пайки соединенные компоненты необходимо приклеить к подложке в верхней части панели. Это лучше сделать при помощи специального силиконового клея, который никак не препятствует проникновению солнечных лучей. Кроме того, он способствует нормальному теплообмену. Однако, не переусердствуйте с клеем, так как это может привести к повреждению батарей. Клеить нужно только центр клеток. Далее все элементы нужно соединить с проводом, который подается в одной из заранее предусмотренных вентиляционных отверстий. Для закрепления провода к солнечным элементам лучше использовать силиконовую замазку. Интересное: Солнечная панель своими руками.

На следующем этапе поверх панелей устанавливается оргстекло. Однако, до этого следует подключить диод Шоттки от чувствительных теплопроводящих компонентов. Этот диод послужит блокирующим устройством, которое защитит фотоэлементы при перепадах напряжения. Кроме того, диод Шоттки будет отключать питание системы при маленькой мощности электросети. Так аккумуляторы, заряжаемые от солнца, не будут разряжаться при прекращении питания. Когда диод будет подключен, можно ставить оргстекло и закреплять его винтами. Технология изготовления солнечных панелей является достаточно простой и понятной

Единственное, важно правильно соблюдать последовательность соединения, иначе вся система не будет работать

https://youtube.com/watch?v=3apKOZn-_B4

Как работает солнечная батарея

Принцип работы солнечной батареи основан на наличии полупроводника в виде двух пластин, соединенных друг с другом. Каждая пластина изготавливается из кремния с использованием дополнительных примесей. Благодаря этому пластины обладают своими уникальными свойствами. Первая из них имеет избыток валентных электронов, а вторая имеет недостаток этих электронов. Эти полупроводники получили название n и p. Если эти полупроводники соединить в единое целое, то можно получить PN-переход в месте контакта между ними. В то время, когда на батарею попадают прямые солнечные лучи, на обеих сторонах этого перехода начинают накапливаться положительные и отрицательные плавающие нагрузки. В результате генерируется напряжение и возникает магнитное поле. Если подсоединить к такому элементу провод, по нему потечет электричество.

Как подключить солнечную батарею

Как только вы изготовите солнечную панель, можно начинать заниматься ее подключением. Можно не подключать ее напрямую к сети, чтобы избежать потерь электроэнергии. То есть, желательно установить автономную систему с аккумуляторами. Они будут заряжаться от солнечных батарей каждый день и быстро разряжаться. При этом, глубина разрядки может быть довольно существенной. Поэтому, аккумуляторы могут быстро выйти из строя. Для того, чтобы этого не произошло, лучше оставить подключение к сети через гибридный батарейный инвертор. Это устройство будет отдавать фотоэлементам приоритет при распределении нагрузки. Инвертор не будет отдавать излишки электроэнергии в сеть, а будет передавать ее на аккумуляторы. Такой вариант является одним из наиболее оптимальных. Эта система состоит из гибридного инвертора, контроллера заряда солнечных панелей и аккумуляторов. Такой механизм сможет работать не только как основная, но и как резервная система электропитания.

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:

• уровень инсоляции;
• размер фотопреобразователя;
• тип фотоэлемента;

• общего сопротивления приборов, подключенных к солнечной батарее.

Кремниевые монокристаллические панели

Описание

Для самих же пластин характерна поверхность однородного синего цвета. Кремний в этом случае требует высокой очистки. Понятно, что технологический процесс по очистке его отличается дороговизной. Затратным является и процесс, результатом которого является ориентирование кристаллов в одном направлении.

Важно: Характеристики рабочего слоя наибольший КПД обеспечивают лишь в случае, когда лучи падают на панели пол прямым углом. КПД у них достаточно высокий, но и цена тоже самая большая, в сравнении с другими видами пластин. КПД у них достаточно высокий, но и цена тоже самая большая, в сравнении с другими видами пластин

КПД у них достаточно высокий, но и цена тоже самая большая, в сравнении с другими видами пластин.

Солнечным панелям монокристаллическим большой площади необходимы поворотные устройства. В таком виде они считаются идеальным решением для пустынь. Там их производительность наилучшая.

Из выращенного в условиях производства кристалла, имеющего вид цилиндра, вырезаются слои. Вот почему у готовых блоков углы скруглены.

Преимущества

• Высокий КПД – от 17 до 25 процентов;
• Небольшая площадь для установки;
• Период эксплуатации достигает 25 и более лет.

Рекомендуем:

• Тонкопленочные солнечные батареи: достоинства и недостатки, цена, характеристики
• Солнечные батареи для отопления дома: виды, особенности монтажа, цена
• Достоинства, недостатки и перспектива аморфных солнечных батарей

Недостатки

Их немного:

• достаточно высокая цена;
• небыстрая окупаемость;
• поверхности панелей слишком чувствительны к различным загрязнениям. Поскольку свет хуже рассеивается на покрытой пылью панели, то и эффективность ее резко падает;
• необходимость в прямых лучах требует их размещения только на открытых местах и высоко от земли.

Чем область ближе расположена к экватору, тем большее там количество в году солнечных дней. И это вид панелей, использующих энергию солнца, наиболее предпочтительный.

Все дело в кремнии

Солнечные батареи состоят из ячеек меньшего размера – фотоэлементов, которые сделаны из кремния.

Солнечная панель состоит из нескольких фотоэлементов.

Важно. Кремний – наиболее распространенный полупроводник на Земле (около 30% всей земной коры). Кремний располагается между двумя токопроводящими слоями

Кремний располагается между двумя токопроводящими слоями.

“Сэндвич” из кремния и токопроводящих слоев

Каждый атом кремния соединен с соседними четырьмя сильными связями, которые удерживают электроны на месте, поэтому так ток течь не может.

Структура атомов кремния

Для того, чтобы получить ток используют два различных слоя кремния:

• Кремний N-типа имеет избыток электронов
• Кремний Р-типа – дополнительные места для электронов (дырки)

Кремний Р и N типа

Там, где соединяются два типа кремния, электроны могут перемещаться через Р-N переход, оставляя положительный заряд на одной стороне и отрицательный на другой.

Чтобы это было легче представить, лучше думать о свете, как о потоке частиц (фотонов), которые ударяются о нашу ячейку настолько сильно, что выбивает электрон из его связи, оставляя дырку. Отрицательно заряженный электрон и место положительно заряженной дырки теперь могут свободно перемещаться, но т.к. мы имеем электрическое поле на Р-N переходе, они движутся только в одном направлении. Электрон – в сторону N-проводника, дырка стремится на Р – сторону пластины.

После “освобождения” электрон стремится к проводнику

Все электроны собираются металлическими проводниками вверху ячейки и уходят во внешнюю сеть, питая токоприемники, аккумуляторы для солнечных батарей или электрический стул для хомяка 🙂 . После проведенной работы электроны возвращаются к обратной стороне пластины и занимают места в тех самых «дырках».

Работа фотоэлемента

Стандартная пластина, 150х150 мм номинально вырабатывает только 0,5 вольта, но если объединить их в одну большую панель, то можно получить бо́льшую мощность и вольтаж. Для зарядки мобильника нужно объединить 12 таких пластин. Для питания дома нужно затратить гораздо больше пластин и панелей.

Благодаря тому, что в фотоэлементах единственной подвижной частью являются электроны, солнечные панели не нуждаются в обслуживании и могут служить 20-25 лет не изнашиваясь и не ломаясь.

Какую солнечную панель выбрать?

Выбор солнечных панелей для загородных домов на широте 45-60 ° не труден. Здесь стоит рассматривать лишь два варианта: поликристаллические и монокристаллические кремниевые панели. При дефиците места предпочтение лучше отдать более эффективным моделям с односторонней ориентацией кристаллов, при неограниченной площади рекомендуется приобрести поликристаллические батареи.

Ориентироваться на прогнозы аналитических компаний развития рынка солнечных панелей не стоит, ведь лучшие их образцы, возможно, ещё не изобретены

Выбирать конкретного производителя, требуемую мощность и дополнительное оборудование лучше при участии менеджеров компаний, занимающихся продажей и установкой такого оборудования. Следует знать, что качество и цена фотоэлектрических модулей у крупнейших производителей отличаются мало.

Следует учитывать, что при заказе комплекта оборудования «под ключ», стоимость самих солнечных панелей будет составлять всего лишь 30-40% от общей суммы. Сроки окупаемости таких проектов составляют 5-10 лет, и зависят от уровня энергопотребления и возможности продажи излишков электроэнергии в городскую сеть.

Комплектация гелиоэлектростанции

Чтобы правильно подобрать комплектующие для своей электростанции, необходимо определить количество приборов и их мощность. Для наглядности лучше рассмотреть конкретный пример: есть дача, находящаяся в пригороде Рязани, в которой проживают, начиная с марта и по сентябрь.

В комплектацию солнечных батарей входят: солнечные панели, инвертор, крепеж, дополнительные материалы (кабели, автоматы и т.д.) Среднесуточное потребление равно 10 000 Вт/ч, Нагрузка — в среднем 500 Вт, Максимальная нагрузка — 1000 Вт. Подсчитаем пиковую нагрузку, увеличив максимальную на 25%: 1000 х 1,25 = 1250 Вт.

Области применения солнечных панелей

• Портативная электроника. Для снабжения электричеством и(или) подзарядки аккумуляторных батареи разной бытовой электроники.
• Электромобили. Подзарядка автотранспорта.
• Авиация. Разработка самолета, использующего только энергию солнца.
• Энергообеспечение зданий. Электроснабжение дома, за счет размещения крупных солнечных батарей на крышах.
• Энергообеспечение населённых пунктов. Создание солнечных электростанций.
• Дорожное покрытие. Дороги, покрытые солнечными панелями, для освещения их же в ночное время.
• Использование в космосе. Электроснабжение космических аппаратов.
• Использование в медицине. Внедрение под кожу миниатюрную солнечную батарею для обеспечения работы приборов, имплантированных в тело.

Лучшие солнечные панели для частного дома

Солнечные модули представлены двух типов – кремниевые и пленочные. Выбирайте в зависимости от региона проживания, назначения и стоимости изделия

При покупке рекомендуем обратить ваше внимание на следующих производителей:

• Hevel (Россия) – компания производит микроморфные и гетероструктурные панели с КФП до 20-22% и умеренной стоимостью;
• Axitec (Германия) — моно и поликристаллических фотоэлементы из кремния. Панели мощностью от 260 до 330 Вт;
• TopRaySolar (Китай) – поликристаллические батареи разной мощности (от 20 до 300 Ватт).

Обратите внимание, что выбор компании-производителя не имеет принципиального значения.

Пример: Установка солнечных батарей на крыше дома:

Подъем и крепление электрических солнечных панелей:

Как рабо­тают сол­неч­ные батареи другими словами

Сол­неч­ная бата­рея рабо­тает сле­ду­ю­щим образом.

1. Фотоны уда­ря­ются о поверх­ность сол­неч­ной бата­реи и погло­ща­ются её рабо­чим мате­ри­а­лом, напри­мер крем­нием.
2. Фотоны, стал­ки­ва­ясь с ато­мами веще­ства выби­вают из него его род­ные элек­троны. В резуль­тате чего воз­ни­кает раз­ность потен­ци­а­лов. Сво­бод­ные элек­троны начи­нают дви­гаться внутри веще­ства, чтобы пога­сить раз­ность потен­ци­а­лов. Воз­ни­кает элек­три­че­ский ток. Так как сол­неч­ная бата­рея это полу­про­вод­ник, элек­троны дви­жутся только в одном направ­ле­нии.
3. Получаемый ток солнечная батарея преобразует в постоянный и отдает его потребителю или аккумулятору.

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 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. 

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.

Из чего сделаны

Чтобы изучить устройство солнечной батареи, нужно разобраться в основных разновидностях, так как технология производства имеет существенные различия в зависимости от используемого сырья:

1. Батареи CdTe. Теллурид кадмия применяется при изготовлении пленочных модулей. Слоя в несколько сотен микрометров хватает для того, чтобы получить КПД порядка 11% или немного выше. Это откровенно низкий показатель, зато в пересчета на 1 Ватт мощности себестоимость электроэнергии получается как минимум на 30% дешевле, чем у традиционных вариантов из кремния. При том, что данная разновидность намного тоньше и легче.
2. Тип CIGS. Аббревиатура обозначает, что в состав входят медь, индий, галлий и селен. Получается полупроводник, который также наносится небольшим слоем, но в отличие от первого варианта тут эффективность на порядок выше и составляет 15%.
3. Типы GaAs и InP отличает возможность нанесения тонкого слоя в 5-6 мкм, при этом КПД будет составлять около 20%. Это новое слово в технологиях добычи электроэнергии из солнечного света. Благодаря высоким рабочим температурам батареи могут сильно нагреваться без потери эксплуатационных характеристики. Но из-за того, что при производстве используются редкоземельные материалы, себестоимость этого типа высока.
4. Батареи с квантовыми точками (QDSC). В них в качестве поглощающего материала для преобразования солнечной энергии используются квантовые точки вместо традиционных объемных материалов. За счет особенностей настройки запрещенных зон можно делать многопереходные модули, поглощающие солнечную энергию более эффективно.
5. Аморфный кремний наносится методом испарения и имеет неоднородную структуру. Он не отличается высокими показателями КПД, но однородная поверхность очень хорошо поглощает даже рассеянный свет.
6. Поликристаллические варианты изготавливаются путем плавления кремния и его охлаждения при определенных условиях, чтобы получить однонаправленные кристаллы. Одно из самых распространенных решений благодаря дешевизне производства и неплохим показателям КПД.
7. Монокристаллические элементы состоят из цельных кристаллов, разрезанных на тонкие пластинки и легированных фосфором. Самое долговечное решение, у которого низкие показатели деградации и срок службы, составляющий как минимум 30 лет, но чаще всего больше на 10-15 лет.

Батареи из теллурида кадмия – одни из самых выгодных по себестоимости киловатта электроэнергии.

Кстати! Эффективность того или иного варианта зависит от технологии производства, поэтому ее нужно уточнять.

История возникновения солнечных электростанций

Солнечная энергия привлекала человека тем, что это практически бесконечный источник энергии. Такие аккумуляторные панели — это альтернативный способ обуздать энергию солнца. Первой попыткой было создание термальных электростанций, принцип работы солнечной батареи заключался в том, что энергия солнца нагревала воду до состояния кипения, а образующийся при этом пар крутил лопасти турбины, производящей электричество.

В случае с солнечными панелями коэффициент полезного действия (КПД) выше поскольку производится прямая трансформация тепловой энергии солнца в электрическую, минуя стадии предобразования энергии на нагрев пара вращения вала турбины (при этом увеличиваются потери энергии за счет силы трения). Солнечная батарея состоит из цепи полупроводниковых фотоэлементов, которые под воздействие м солнечного света вырабатывают электроэнергию. Этот процесс в физике называется фотоэлектрическим эффектом.

Это свойство впервые было открыто французским физиком Александром Беккерелем (в честь которого также была названа единица измерения радиоактивности в Международной системе единиц) в 1839 году. А первый прототип подобной электростанции был создан спустя 50 лет русским ученым Александром Столетовым. Дальнейшее развитие и объяснение фотоэлектрического эффекта было описано Альбертом Эйнштейном. Спустя несколько лет был запатентован проект по созданию типовых солнечных батарей.