Эффективное преобразование бесплатной солнечной энергии в электричество для питания домов и других объектов — это мечта многих сторонников возобновляемых источников энергии.
Тем не менее, функционирование солнечных батарей и их коэффициент полезного действия пока не позволяют говорить о высокой продуктивности таких установок. Благо, иметь собственный источник электроэнергии было бы весьма полезно, не так ли? А ведь сегодня многие частные хозяйства в России уже успешно получают бесплатную электрическую энергию при помощи солнечных панелей. Не знаете, с чего начать?
В следующем разделе мы расскажем о том, как устроены и функционируют солнечные панели, а также что влияет на их эффективность. Также в статье будут видео, которые помогут вам самостоятельно собрать солнечную батарею из фотоэлементов.
Краткое содержание статьи
Солнечные батареи: терминология
В области «солнечной энергетики» существует множество деталей и различий. Порой новичкам трудно разобраться в сложной терминологии. Однако, без этой информации начинать занятия гелиоэнергетикой и инвестировать в оборудование для производств технологии “солнечного тока” было бы неразумно.
Недостаток знаний может привести к тому, что вы выберете неподходящую панель или, подключив ее неверно, просто повредите устройство или получите очень малую отдачу.
Установка солнечных панелей позволяет эффективно использовать бесплатное и неизменяемое солнечное излучение.
Минимальные электрические станции, собранные из солнечных батарей, способны обеспечивать электричеством объекты и дома, которые находятся вне сети или в регионах с нестабильными поставками электроэнергии.
Эти установки, преобразующие ультрафиолетовое излучение в энергию, требуют всего лишь немного места. Их устанавливают на крышах зданий, хозяйственных построек, гаражей, беседок и веранд. Реже — на открытых площадях, не занятых постройками и растительностью.
Солнечные батареи являются незаменимыми устройствами для путешественников, обеспечивая энергией в удаленных от источников питания местах.
Использование солнечной энергии может значительно уменьшить расходы на содержание загородных домов и дач. Собрать и установить эффективную систему можно без больших усилий собственными руками.
Солнечные панели, размещенные на борту яхты, палубе судна или носу катера, обеспечат электричеством для поддержания связи с берегом.
Портативная солнечная панель с аккумулятором исключит возникновение неожиданных ситуаций вдали от населенных пунктов и обеспечит зарядку мобильных устройств для общения с родными.
Специально разработанные для походов легкие и компактные солнечные зарядные устройства помогут зарядить мобильные телефоны, радиостанции, планшеты и медиа-технику.
В первую очередь нужно разобраться в различных типах оборудования, используемого в гелиоэнергетике. Солнечные батареи и коллекторы — это два совершенно разных устройства, каждое из которых преобразует солнечную энергию.
В случае солнечных панелей на выходе производится электрическая энергия, а солнечные коллекторы вырабатывают тепловую энергию, пригодную для отопления помещений.
Чтобы максимально использовать потенциал солнечной панели, следует знать, как она устроена, какие компоненты и узлы входят в её конструкцию и как все это правильно подключить.
Кроме того, важно понимать значение термина «солнечная батарея». Чаще всего им называют устройство, накапливающее электрическую энергию, а также могут прийти на ум обычные отопительные радиаторы. Однако в случае гелиобатарей все иначе — они не накапливают энергию.
Солнечная панель генерирует постоянный ток. Для того чтобы преобразовать его в переменный (который используется в быту), в системе требуется инвертор.
Солнечные батареи предназначены только для генерации электричества. Оно затем накапливается в аккумуляторах для использования в домах ночью, когда солнце уже за горизонтом.
Термин «батарея» здесь подразумевает объединение однотипных элементов в одно устройство, представляющее собой панель, состоящую из множества одинаковых фотоэлементов.
Внутреннее устройство гелиобатареи
С течением времени солнечные батареи становятся дешевле и более эффективными. Сейчас они используются для зарядки аккумуляторов в уличных фонарях, смартфонах, электромобилях, частных домах и даже на спутниках в космосе. Ныне начали также строить полноценные солнечные электростанции (СЭС) с большой мощностью.
Гелиобатарея состоит из множества фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), преобразующих солнечную энергию в электрическую.
Каждая солнечная батарея строится из блока, содержащего определенное количество модулей, в которых последовательно соединены полупроводниковые фотоэлементы. Для понимания ее работы необходимо разобраться в функционировании этого конечного звена в конструкции солнечной панели, основанном на полупроводниках.
Типы кристаллов фотоэлементов
Существует ряд вариантов ФЭП из различных химических элементов, однако большинство из них все еще находятся на начальной стадии разработки. В промышленных масштабах в настоящее время выпускаются только панели с фотоэлементами на основе кремния.
Кремниевые полупроводники используют в производстве солнечных батарей благодаря их низкой стоимости, хотя их КПД не так высок.
Обычный фотоэлемент в гелиопанели представляет собой тонкую пластину из двух слоев кремния, каждый из которых обладает своими уникальными физическими свойствами. Это классический полупроводниковый p-n-переход, содержащий пары электронов и дырок.
При попадании фотонов на ФЭП между этими слоями полупроводника возникает ветерок фото-ЭДС из-за неоднородности структуры кристалла. Это приводит к образованию разности потенциалов и току электронов.
Кремниевые пластины фотоэлементов различаются по технологии производства на:
- Монокристаллические.
- Поликристаллические.
Монокристаллические варианты обладают более высоким КПД, но их себестоимость выше, чем у поликристаллических. Визуально их можно отличить по форме на солнечной панели.
Автономные солнечные электростанции собираются из солнечных панелей, основной частью которых являются полупроводниковые фотоэлементы.
По технологии производства и сопутствующей эффективности фотоэлементы делятся на моно- и поликристаллические.
Монокристаллические варианты создаются из одного цельного кристалла, выращенного в лабораторных условиях. Они темнее и часто имеют форму прямоугольника со скругленными углами.
Фотоэлементы из монокристаллического кремния генерируют электричество с КПД в диапазоне 20-22%. По стоимости они дороже поликристаллических.
Для сборки автономной электростанции можно приобрести как отдельные фотоэлементы для самостоятельного монтажа, так и готовые комплектующие.
Поликристаллические фотоэлементы создаются из кремния, полученного путем плавления и затем отвердевания. Они имеют четкие геометрические формы и светлее по цвету, но их производительность ниже — до 18%.
Солнечные батареи из этих фотоэлементов собирают по стандартным правилам. В готовом модуле должно содержаться 36 или 72 фотоэлемента.
Сборка как моно-, так и поликристаллических фотоэлементов осуществляется пайкой с лицевой и обратной стороны, соединяя их последовательно.
Монокристаллические фотоэлементы имеют однородную структуру и представлены в виде квадратов с срезанными углами. В отличие от них поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму.
Поликристаллы получают в результате медленного охлаждения расплавленного кремния. Этот процесс максимально прост, из-за чего такие фотоэлементы обходятся недорого.
Тем не менее, их производительность в отношении выработки электроэнергии из солнечных лучей редко превышает 15%. Это связано с «нечистотой» кремниевых пластин и структурными особенностями. Чем чище p-слой кремния, тем выше КПД фотоэлементов.
У монокристаллов показатель чистоты значительно выше. Они изготавливаются не из расплава, а из искусственно выроста цельного кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования у таких элементов достигает 20-22%.
В единый модуль отдельные фотоэлементы собираются на алюминиевой раме, а сверху защищаются прочным стеклом, которое не препятствует попаданию солнечных лучей.
Верхний слой фотоэлемента, ориентированный на солнце, также изготавливается из кремния, но дополнительно содержит фосфор, который служит источником избытка электронов в p-n-переходе.
Важным достижением в области солнечной энергетики стали разработки гибких панелей с аморфным фотоэлектрическим кремнием:
Процесс создания гибких солнечных батарей включает напыление кремния на полимерную пленку или металлическую фольгу. Однако их коэффициент полезного действия (КПД) в два раза уступает кристаллическим аналогам.
Появление гибких солнечных панелей значительно увеличило возможности их применения. Кроме того, они легче и прочнее, по сравнению с поли- и монокристаллическими компонентами.
На рынке стали доступны портативные зарядные устройства на основе гибких батарей. Эти устройства оснащены аккумуляторами для накопления энергии.
Гибкие солнечные батареи избавлены от главного недостатка кристаллических фотоэлементов — хрупкости. Их можно с уверенностью брать в походы, на дальние поездки и морские прогулки.
Гибкий вариант солнечной батареи
Наклейка гибкого фотоэлемента на жалюзи
Зарядное устройство для мобильников на базе гибкой батареи
Устойчивые к механическим повреждениям панели
Принцип работы солнечной панели
Когда солнечные лучи попадают на фотоэлемент, в нем возникают неравновесные пары электронов и дырок. Избыток электронов и «дырки» перемещаются через p-n-переход из одного полупроводникового слоя в другой.
Таким образом, на внешних контактах возникает напряжение. На p-слое формируется положительный полюс, а на n-слое — отрицательный.
Разность потенциалов (напряжение) между контактами фотоэлемента вызывает изменение количества «дырок» и электронов на разных сторонах p-n-перехода, вызванное облучением n-слоя солнечными лучами.
В соединении с внешней нагрузкой в виде аккумулятора, фотоэлементы формируют замкнутую цепь. Солнечная панель функционирует как своеобразное колесо, по которому непрерывно «бегают» электроны, в то время как аккумулятор постепенно пополняет заряд.
Классические кремниевые фотоэлектрические преобразователи являются однопереходными элементами. Переток электронов в них осуществляется лишь через один p-n-переход с ограниченной зоной по энергетике фотонов данного перехода.
Это означает, что каждый такой фотоэлемент способен генерировать электрическую энергию только от узкой части солнечного спектра. Вся остальная энергия теряется. Именно поэтому эффективность ФЭП так низка.
Для повышения КПД солнечных батарей, в последнее время кремниевые полупроводниковые элементы стали производить многопереходными (каскадными). В новых ФЭП количество переходов увеличивается, и каждый из них нацелен на свой спектр солнечного излучения.
Общая эффективность преобразования фотонов в электрическую энергию у таких элементов возрастает, однако их стоимость значительно выше. То есть выбор стоит перед двумя вариантами: простота изготовления с низкой ценой и низкий КПД или более высокая эффективность с соответствующей ценой.
Солнечная батарея может функционировать как летом, так и зимой (ей требуется свет, а не тепло) — чем меньше облачности и ярче светит солнце, тем больше электроэнергии производит гелиопанель.
При работе фотоэлементы и вся солнечная батарея постепенно нагреваются. Вся энергия, не используемая для генерации электричества, преобразуется в тепло. Часто температура на поверхности панели достигает 50–55 °C. Но с повышением температуры эффективность работы фотогальванического элемента снижается.
Таким образом, одна и та же модель солнечной батареи при высоких температурах вырабатывает меньше энергии по сравнению с холодным периодом. Наивысший КПД фотоэлементы демонстрируют в ясный зимний день, когда наблюдаются два фактора — достаточное количество солнечного света и естественное охлаждение.
Если же на панель выпадает снег, она будет продолжать генерировать электричество. Более того, снежинки не задерживаются на панели, тая от тепла нагретых фотоэлементов.
Эффективность батарей гелиосистемы
Один фотоэлемент в полдень, даже при ясной погоде, выдает весьма ограниченное количество электроэнергии, достаточное разве что для работы светодиодного фонарика.
Чтобы увеличить выходную мощность, несколько ФЭП соединяют по параллельной схеме для повышения постоянного напряжения и по последовательной схеме для увеличения силы тока.
Эффективность работы солнечных панелей зависит от:
- температуры окружающего воздуха и самой батареи;
- правильного выбора сопротивления нагрузки;
- угла падения солнечных лучей;
- наличия или отсутствия антибликового покрытия;
- мощности светового потока.
Чем ниже температура воздуха, тем лучше работают фотоэлементы и гелиобатарея в целом. Это очевидно. Но правильный расчет нагрузки — более сложная задача. Ее следует подбирать, основываясь на величине тока, выдаваемого панелью, которая, в свою очередь, зависит от погодных условий.
Гелиопанели разработаны с учетом выходного напряжения, кратного 12 В — в случае необходимости подачи 24 В на аккумулятор, следует подключить две панели параллельно.
Постоянно контролировать параметры солнечной батареи и вручную настраивать ее работу проблематично. Для решения этой задачи лучше использовать контроллер, который самостоятельно регулирует настройки гелиопанели в автоматическом режиме для достижения максимальной производительности и оптимальных рабочих режимов.
Идеальным углом падения солнечных лучей на гелиобатарею является прямой. Однако при отклонении в пределах 30 градусов от перпендикуляра эффективность панели уменьшается всего на 5%. С увеличением этого угла также возрастает отражение солнечного излучения, что дальше снижает КПД ФЭП.
Если требуется, чтобы солнечная батарея максимально генерировала энергию летом, ее необходимо ориентировать перпендикулярно среднем положению солнца, которое оно занимает в дни равноденствия весной и осенью.
Для Москвы это около 40–45 градусов к горизонту. Если максимальная эффективность требуется зимой, панель следует устанавливать в более вертикальном положении.
Еще один момент: пыль и грязь значительно снижают эффективность работы фотоэлементов. Фотоны не могут пройти через такую «грязную» преграду, следовательно, преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели нужно регулярно очищать или устанавливать так, чтобы дождь мог смывать грязь самостоятельно.
Некоторые солнечные батареи оборудованы встроенными линзами для концентрации излучения на ФЭП. При ясной погоде это способствует увеличению КПД. Однако при сильной облачности такие линзы могут негативно сказаться на работе.
Если обычная панель в условиях облачной погоды продолжает генерировать ток, пусть и в меньших количествах, то модель с линзами практически перестает функционировать.
Солнечные фотоэлементы должны освещаться равномерно. Если какая-либо часть панели оказывается в тени, неосвещенные ФЭП становятся паразитной нагрузкой. Они не только не производят энергию, но и забирают её у работающих элементов.
Монтаж панелей необходимо осуществлять таким образом, чтобы на пути солнечных лучей не было деревьев, зданий и других препятствий.
Схема электропитания дома от солнца
Система солнечного электроснабжения включает в себя:
- Гелиопанели.
- Контроллер.
- Аккумуляторы.
- Инвертор (трансформатор).
Контроллер в данной системе защищает как солнечные панели, так и аккумуляторы. Он предотвращает обратный ток в ночное время и в пасмурные дни, а также защищает аккумуляторы от избыточной зарядки и разрядки.
Аккумуляторы для гелиопанелей необходимо выбирать одинаковыми по возрасту и емкости, в противном случае зарядка и разрядка будут происходить неравномерно, что приведет к значительному сокращению их срока службы.
Для преобразования постоянного тока на 12, 24 или 48 Вольт в переменный 220-вольтовый требуется инвертор. Использование автомобильных аккумуляторов в этой системе не рекомендуется, так как они не способны выдерживать частые перезарядки. Лучше потратиться на специализированные AGM или заливные OPzS АКБ.
Выводы и полезное видео по теме
Принципы работы и схемы подключения солнечных батарей несложны для понимания. Собранные нами ниже видеоматериалы помогут разобраться во всех аспектах работы и установки гелиопанелей еще быстрее.
Просто и доступно объясняется, как функционирует фотоэлектрическая солнечная батарея:
Как устроены солнечные батареи, смотрите в следующем видео:
Сборка солнечной панели из фотоэлементов своими руками:
Каждый элемент в системе солнечного электроснабжения загородного дома должен быть подобран с учетом всех особенностей. Неизбежные потери мощности возникают в аккумуляторах, инверторах и контроллерах. Их обязательно нужно минимизировать, иначе даже незначительная эффективность гелиопанелей будет сведена к нулю.
Если у вас возникли вопросы в процессе изучения материала или вы обладаете ценными сведениями по теме статьи, обязательно оставляйте свои комментарии в разделе ниже.
