Принцип работы и устройство солнечной батареи

СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ ДЛЯ ДОМА

При выборе солнечной батареи для дома нужно сравнить стоимость 1 кВт/час, получаемой от центральной энергосети, и стоимость 1 кВт/час, вырабатываемой панелями. Таким образом определяется целесообразность ее использования и величина экономического эффекта.

Согласно общей статистике, электроэнергия, вырабатываемая такой установкой, в 8,8 раза дешевле, чем предоставляемая электросетью.

Солнечные станции подразделяются на три основные категории:

1. Автономные системы, не подключенные к сети электроснабжения и укомплектованные аккумулирующим устройством, которое, как было описано выше, предоставляет накопленную энергию во время низкой интенсивности и отсутствия солнечного света, а также в случае превышения потребляемой энергии над вырабатываемой.

2. Открытые системы, не имеющие аккумуляторов и подсоединенные к основной сети через специальный инвертор. Если расходуемая мощность ниже вырабатываемой, основная электросеть отключена. В противоположном случае отключается станция, и электропитание поставляет основная сеть. Однако если нет подключения к сети, такая батарея не работает.

3. Комбинированные системы, объединенный вариант первой и второй категории. Они наиболее дорогие, так как требуют сложных сетевых инверторов и зарядных устройств. Их преимущество в том, что накопленная или лишняя электроэнергия может поступать в основную сеть.

В любом случае, для обеспечения бесперебойного электроснабжения в форс-мажорных обстоятельствах (отключение общей сети и неблагоприятные метеоусловия) нужно иметь резервный источник питания (небольшой бензиновый или дизельный электрогенератор).

Цена фотоэлектрического элемента (главного компонента батареи) минимально приемлемого качества составляет примерно 50-60 руб. за один вырабатываемый ватт мощности. Значит, стоимость системы мощностью в 200 Вт обойдется в 12000 рублей. Комплектация станции будет зависеть от ее категории и требуемой мощности.

Солнечная батарея, укомплектованная самостоятельно и установленная в частном доме, рассчитанном на семью из 4 человек, окупается в среднем в течение 4-5 лет. При этом срок службы аккумуляторов составляет 5-7 лет, а самих фотоэлементов – 20-25 лет.

Чтобы рассчитать требуемую мощность станции, нужно посмотреть, сколько электричества расходуется по факту. Большое значение имеет, используется ли дом как летняя дача или как место постоянного проживания. Для расчета нужно взять среднемесячный расход электроэнергии: для этого нужно суммировать данные квитанций за последний год и разделить на 12.

Полученный результат следует умножить на 16 – это коэффициент, эмпирически рассчитанный для средней полосы России. Например, за год было расходовано 1525 кВт: 1525 / 12 х 16 = 2034 Ватт. Значит, мощность системы должна быть не менее 2100 Ватт/час.

Еще один вопрос – где крепить солнечные панели. Здесь возможны следующие варианты:

скат крыши, направленный на юг;
южная стена, свободная от тени деревьев, забора и других объектов;
свободное размещение – самый оптимальный вариант: в этом случае панели можно разместить во дворе на шарнирах и поворачивать их в течение дня таким образом, чтобы их поверхность находилась под 90% к солнечным лучам.

Принцип работы солнечной батареи

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.

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.

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

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.

Преимущества солнечных батарей

Солнечная энергия — это перспективное направление, которое постоянно развивается. Они имеют несколько основных достоинств. Удобство использования, долгий срок службы, безопасность и доступность.

Положительные стороны применение данной разновидности аккумуляторных батарей:

Возобновляемость – этот источник энергии практически не имеет ограничений притом бесплатный. По крайней мере на ближайшие 6.5 миллиардов лет. Нужно подобрать оборудование, установить его и использовать по назначению (в частном доме или коттеджном участке).
Обильность – Поверхность земли в среднем получает около 120 тысяч терравват энергии что в 20 раз превышает нынешнее энергопотребление. Солнечные батареи для коттеджей или частных домов имеют огромный потенциал для использования.
Постоянство – солнечная энергия постоянна поэтому человечеству не грозит перерасход в процессе ее использования.
Доступность – солнечная энергия может вырабатывать на любой территории, при наличии естественного света. При этом чаще всего она применяется для отопления жилища.
Экологическая чистота – солнечная энергетика является перспективной отраслью, которая в будущем заменит электростанции, работающие на невозобновляемых ресурсах: газ, торф, уголь и нефть. Безопасны для здоровья людей и домашних животных.

При производстве панелей и монтаже солнечных электростанций в атмосферу не происходят значительные выбросы вредных или токсичных веществ.
Бесшумность – выработка электроэнергии производится практически бесшумно, и поэтому этот вид электростанций лучше ветровых электростанций. Их работа сопровождается постоянным гулом из-за чего оборудование быстро выходит из строя, а сотрудники должны делать частые перерывы на отдых.
Экономичность – при использовании солнечных батарей владельцы недвижимости ощущают значительное снижение коммунальных расходов на электроэнергию. Панели имеют долгий срок службы – производитель дает гарантию на панели от 20 до 25 лет. При этом обслуживание всей электростанции сводится к периодической (раз в 5-6 месяцев) очистке поверхностей панелей от грязи и пыли

Разновидности солнечных систем

Самый популярный полупроводник для солнечных батарей – кремний. Но его КПД составляет усредненные 20%. В зависимости от мощности выделяют несколько видов солнечных панелей:

органические фотоэлементы — самые слабые, КФП составляет в среднем 5-7% (при мощности светового потока в 500 Вт выработка энергии будет на уровне 25 Ватт;
аморфные и фотохимические батареи – обладают немного улучшенными характеристиками по сравнению с предыдущим видом. КФП у них в районе 10-13%, соответственно из полученных 500 ватт энергии в систему пойдет около 50 ватт;
кремниевые фотоэлементы — обладают гораздо высокими качественными характеристиками. При хорошей погоде в средней полосе номинальная мощность может составлять 125-130 ватт (КПФ 20-25%);
батареи на основе арсенида галлия – довольно дорогие и сложные в изготовлении батареи с КФП выше 35%. (до 150 Вт электричества с квадратного метра) Используются в космической промышленности.

Если вы планирует установить на участке небольшую солнечную электростанцию, то вам нужны автономные кремниевые батареи. Выделяют два вида:

Монокристаллические – эффективные и соответственно дорогие. По форме напоминают восьмигранник. За счет однородности дают высокий КФП, но только при прямых солнечных лучах. Плохо воспринимают боковой и рассеянный свет. Пользуются высокой популярностью в теплых странах (Италия, Израиль, Ливия, Алжир, Испания и т.д.)
Поликристаллические — средняя производительность солнечных батарей такого типа в районе 14-16%. Быстрое изготовление и низкая цена. Большой выбор размеров.

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.

Виды солнечных батарей и их предназначение

В настоящее время используется несколько разновидностей солнечных батарей. Все они отличаются длительным сроком эксплуатации, который зачастую превышает 30 лет. Это достигается за счет отсутствия в конструкции механических компонентов и расходных частей.

Наибольшее распространение сегодня получили три вида фотоэлементов:

Монокристаллические;
Поликристаллические;
Тонкопленочные;
Аморфные.

Самым распространенным видом являются поликристаллические панели, которые отличаются оптимальным соотношением цены и эффективности. В большинстве случаев их КПД достигает 12-13 %. Эти батареи отличаются кристаллической структурой и синим цветом. Монокристаллические солнечные панели являются более эффективными, так как их КПД достигает 15-16%. Однако, с учетом стоимости одного ватта мощности, их использовании обходиться дороже.

Монокристаллические и поликристаллические батареи имеют схожие функции:

освещение жилых домов, хозяйств, тепличных комплексов;
освещение садовой, парковой зоны, улиц;
обеспечение электроэнергией медицинские и телекоммуникационные приборы;
энергоснабжение систем подачи и очистки воды;
подзарядка ноутбуков, мобильных телефонов.

Тонкопленочные обладают самым низким КПД, который не превышает 12%. В то же время, за счет низкой цены фотоэлементов, которые входят в конструкцию, один ватт мощности электроэнергии здесь обходиться дешевле, чем в остальных батареях. К тому же, тонкопленочные панели занимают в 2-3 раза большую площадь, чем моно- и поликристаллические. Поэтому, их лучше использовать для питания крупных систем мощностью более 10 кВт. Интересное: Солнечные батареи на 5 кВт.

Виды солнечных батарей и их предназначение

Наибольшее распространение сегодня получили три вида фотоэлементов:

Монокристаллические;
Поликристаллические;
Тонкопленочные;
Аморфные.

Монокристаллические и поликристаллические батареи имеют схожие функции:

освещение жилых домов, хозяйств, тепличных комплексов;
освещение садовой, парковой зоны, улиц;
обеспечение электроэнергией медицинские и телекоммуникационные приборы;
энергоснабжение систем подачи и очистки воды;
подзарядка ноутбуков, мобильных телефонов.

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.

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.

Применение солнечных батарей

Кроме космонавтики и обеспечения частных домов электроэнергией, панели или батареи солнечные применяют в следующих сферах:

Автомобилестроение. Экологичный транспорт приобретает популярность, ведь выхлопы бензина и газов загрязняют атмосферу, а цены на топливо постоянно растут. Машины на солнечной энергии способны развивать скорость до 140 км/ч.
Эксплуатация водного транспорта (барж, катеров, яхт). Такой транспорт можно встретить в Турции. Лодки развивают небольшую скорость (до 10 км/ч), и это позволяет туристом осмотреть достопримечательности и роскошные пейзажи этой страны.
Энергообеспечение зданий. В развитых странах Европы многие муниципальные здания и сооружения полностью обеспечивают свои нужды с помощью энергии, которую выделяют солнечные панели.
Самолетостроение. Благодаря наличию батарей, самолет в полете может длительное время не расходовать топливо.

Портативная солнечная батарея – специально для туристов

У каждого в наше время есть электронные гаджеты. Не суть, что у кого-то их меньше, а кого-то больше. Все их необходимо заряжать, а для этого нужны зарядные устройства. Но, особенно остро этот вопрос касается тех, кто попадает в места, где отсутствует электропитание. Единственным выходов являются солнечные батареи. Но, цены на них остаются высокими, а выбор — небольшим. Оптимальным вариантом, как принято считать, является продукция компании Goal Zero (хотя есть и российская продукция, и китайская – как всегда вызывающая сомнении).

Но, оказалось, что не все то плохо, что сделано в Китае или Корее. Особенно порадовала солнечная батарея компания YOLK из Чикаго, которая начала производство компактной солнечной батареи Solar Paper – самой тонкой и легкой. Ее вес всего 120 граммов. Но есть и другие преимущества – модульная конструкция, позволяющая наращивать мощность. Солнечная батарея похожа на пластиковую коробку, по размерам напоминающую Ipad, только тоньше в два раза. На ее лицевой стороне размещена солнечная панель. Есть на корпусе выход для ноутбука и порты USB и для подключения других солнечных панелей, а также фонарик. Внутри этой чудо коробки – аккумуляторы и плата управления. Зарядить девайс можно от розетки, причем, одновременно это могут быть телефон и два ноутбука. Конечно, заряжается устройство и от солнца. Как только на него попадает свет, загорается индикатор. В походных условиях солнечная панель просто незаменима: с успехом заряжает все нужные устройства – телефоны быстрее, ноутбуки.

Портативные солнечные батареи отличаются компактными размерами: они выпускаются даже в виде брелков, прикрепить которые можно к чему угодно. Разрабатывались они для того, чтобы можно было их взять на рыбалку, в поход и пр. Обязательно у них имеется фонарик, чтобы ночью можно было осветить дорогу, палатку и т.д., крепления, позволяющие легко их разместить на рюкзаках, байдарках, палатках

Очень важно, чтобы в таком устройстве был встроенный аккумулятор, позволяющий заряжать девайсы и в ночное время

Исторический контекст

В течение XIX века вместе со множеством исследований в области электричества развивалась и фотохимия. В 1839 году Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект, показав, что свет может напрямую превращаться в электричество. Разумеется, эффективность такого преобразования зависит от улавливающего материала. Первый рабочий образец солнечной батареи был создан в 1883 году американским инженером Чарльзом Фриттсом, изготовившим из селена первую миниатюрную солнечную панель. При этом он опирался на случайное открытие другого американского ученого, Уиллоби Смита, в 1873 году участвовавшего в прокладке трансатлантического телеграфного кабеля и обнаружившего, что электропроводность селеновых стержней возрастает, если на них падает свет. КПД селеновой батареи Фриттса составлял 1%.

Тем не менее, такие устройства оставались лабораторными изысками вплоть до 1912 года, когда ими занялся итальянский химик армянского происхождения Джакомо Луиджи Чамичан. Тогда, выступая на 8-м Международном химическом конгрессе, он заявил:

«На засушливых землях будут возникать промышленные колонии без дымящихся труб; леса стеклянных трубок будут распространяться на равнинах, и стеклянные здания будут расти везде; внутри них будут проходить фотохимические процессы, которые до настоящего времени были неведомой тайной растений, но всё это будет освоено человеческой цивилизацией, которая будет знать, как получить ещё более обильные плоды… И если в недалёком будущем запасы угля будут полностью исчерпаны, цивилизация не пропадёт, а будет существовать до тех пор, пока светит солнце!»

Таким образом, еще до первой мировой войны осознавалась важность солнца в качестве источника энергии, но широкое использование солнечных батарей оставалось невозможным до решения, как минимум, двух фундаментальных проблем:

Повышения фотохимической эффективности фотоэлемента.
Коррекции отражательных показателей батареи, так, чтобы она поглощала достаточное количество света, но при этом не перегревалась.

Кратко остановлюсь на том, из чего состоит современная солнечная батарея.

Солнечная батарея является многослойной конструкцией, состоящей (сверху вниз) из следующих элементов:
1) Рама
2) Закаленное стекло
3) Шинопроводы (электропроводящие полоски)
4) Фотоэлемент на основе кремния. Как правило, изготавливается из кварца
5) Алюминиевая подложка
6) Распределительная коробка

Итак, в 1948 году инженеры «Bell Laboratories» Кельвин Соулзер Фуллер, Дэрил Чейпин и Джеральд Пирсон продемонстрировали первую коммерчески выгодную модель солнечной батареи с КПД 6%. Уже в 1958 году солнечными батареями были оснащены первые космические аппараты – американский «Авангард-1» и советский «Спутник-3». К началу XXI века (в 2007 году) компания General Electric добилась от солнечных батарей КПД 16% и более, но фундаментальные проблемы до сих пор не позволяют этим устройствам полноценно заменить ТЭЦ и прочие генераторы электричества, работающие на ископаемом топливе. В жарких засушливых областях, которые мечтал застелить солнечными батареями Чамичан, просто живет не так много людей и не развернуто серьезной промышленности, которую можно было бы питать солнечной энергией. А в густонаселенных областях умеренного пояса не хватает свободных площадей под солнечные батареи. Кроме того, чтобы сравниться с растениями в эффективности сбора солнечной энергии, необходимо реализовать искусственный фотосинтез или его аналог, возможно – приблизить фотоэлементы по свойствам к искусственным хлоропластам, которые улавливали бы свет в максимально широком спектре.

Особенности использования

В любую погоду элементы электрической сети дома могут получать электроэнергию от солнечной батареи. Чтобы правильно оценить возможности и правильно применить приборы, нужно знать устройство батареи. Нужно учитывать, что мощность излучения солнца, которую получают и преобразуют фотоэлектрические батареи, может составлять единицы киловатт на один кв. м. поверхности Земли. При этом сила солнечного излучения увеличивается с высотой над уровнем моря, поскольку атмосфера Земли становится тоньше.

Атмосфера ослабляет излучение солнца. Там, где размещение приборов наиболее необходимо, можно получить мощность излучения не более 0,1-0,2 киловатта на один кв.м. При этом КПД фотоэлектрической батареи будет около 15%. Для нужд в электроэнергии среднего современного дома потребуется площадь панелей в полсотни кв. м. и более.

Эта величина будет служить удобным ориентиром для определения предварительных расходов на покупку солнечных радиаторов для электрификации частного дома или дачи. Зимой их мощность будет меньше.

Солнце зимой светит слабее, чем летом. При покупке панелей нужно сделать поправку на их количество.

Можно будет получать электроэнергию не только при безоблачном небе. Ток в электрическую сеть дома будет поступать всегда, когда есть даже слабый солнечный свет. Применение радиаторов зимой будет дополнением к централизованному электроснабжению.

Необходимо правильно сконструировать домашнюю электросеть, снабдив её аккумуляторами. Тогда в любую погоду электроэнергия солнечных батарей будет заряжать аккумуляторы при отсутствии электрической нагрузки в сети. Мощность при этом не будет большой, но зато она бесплатна.

Преимущества солнечных батарей

Положительные стороны применение данной разновидности аккумуляторных батарей:

Возобновляемость – этот источник энергии практически не имеет ограничений притом бесплатный. По крайней мере на ближайшие 6.5 миллиардов лет. Нужно подобрать оборудование, установить его и использовать по назначению (в частном доме или коттеджном участке).
Обильность – Поверхность земли в среднем получает около 120 тысяч терравват энергии что в 20 раз превышает нынешнее энергопотребление. Солнечные батареи для коттеджей или частных домов имеют огромный потенциал для использования.
Постоянство – солнечная энергия постоянна поэтому человечеству не грозит перерасход в процессе ее использования.
Доступность – солнечная энергия может вырабатывать на любой территории, при наличии естественного света. При этом чаще всего она применяется для отопления жилища.
Экологическая чистота – солнечная энергетика является перспективной отраслью, которая в будущем заменит электростанции, работающие на невозобновляемых ресурсах: газ, торф, уголь и нефть. Безопасны для здоровья людей и домашних животных.

При производстве панелей и монтаже солнечных электростанций в атмосферу не происходят значительные выбросы вредных или токсичных веществ.
Бесшумность – выработка электроэнергии производится практически бесшумно, и поэтому этот вид электростанций лучше ветровых электростанций. Их работа сопровождается постоянным гулом из-за чего оборудование быстро выходит из строя, а сотрудники должны делать частые перерывы на отдых.
Экономичность – при использовании солнечных батарей владельцы недвижимости ощущают значительное снижение коммунальных расходов на электроэнергию. Панели имеют долгий срок службы – производитель дает гарантию на панели от 20 до 25 лет. При этом обслуживание всей электростанции сводится к периодической (раз в 5-6 месяцев) очистке поверхностей панелей от грязи и пыли