Устройство и принцип работы солнечной батареи: схема и комплектующие, история создания

Виды

Сегодня различные виды солнечных батарей набирают все большую популярность. На первый взгляд, может показаться, что все солнечные модули одинаковые: большое количество отдельных маленьких фотоэлементов соединены между собой и закрыты прозрачной пленкой. Но, в действительности, все модули отличаются по мощности, конструкции и размерам. И на данный момент производители поделили гелиосистемы на два основных типа: кремниевые и пленочные.

Для бытовых целей устанавливаются солнечные батареи с фотоэлементами из кремния. Они являются на рынке самыми популярными. Из которых можно также выделить три вида – это поликристаллические, монокристаллические, о них уже было рассказано более подробно в статье, и аморфные, на которых остановимся подробнее.

Аморфные – изготавливаются также на основе кремния, но, кроме того, имеют также и гибкую эластичную структуру. Но производятся не из кристаллов кремния, а из силана – другое название кремневодород. Из особенностей аморфных модулей можно отметить отличную эффективность даже при пасмурной погоде и возможность повторять любую поверхность. Но КПД значительно ниже – всего 5%.

Второй тип солнечных панелей – пленочные, вырабатывается на основе нескольких веществ.

  • Кадмий – такие панели были разработаны еще в 70-х годах прошлого столетия и использовались в космосе. Но на сегодняшний день кадмий применяется также и при производстве промышленных и бытовых солнечных электростанций.
  • Модули на основе полупроводника CIGS – разработаны из селенида меди, индия и представляют собой пленочные панели. Индий также широко используется при производстве жидкокристаллических мониторов.
  • Полимер – также используется при производстве солнечных пленочных модулей. Толщина одной панели около 100 нм, но КПД остается на уровне 5%. Но из плюсов можно отметить, что такие системы имеют доступную цену и не выделяют вредные вещества в атмосферу.

Но также на сегодняшний день на рынке представлены менее громоздкие переносные модели. Они специально разработаны для использования во время активного отдыха. Зачастую такие солнечные батареи используются для подзарядки портативных устройств: небольших гаджетов, мобильных телефонов, фотоаппаратов и видеокамер.

Портативные модули делятся на четыре вида.

  • Маломощные – дают минимальный заряд, которого хватает для подзарядки мобильного телефона.
  • Гибкие – могут сворачиваться в рулон и имеют небольшой вес, благодаря этому и обусловлена большая популярность среди туристов и путешественников.
  • Закрепленные на подложке – имеют значительно больший вес, примерно 7-10 кг и, соответственно, дают больше энергии. Такие модули специально разработаны для использования в дальних автомобильных поездках, а также могут использоваться для частичного автономного снабжения энергией загородного домика.
  • Универсальные – незаменимы в пешем туризме, устройство имеет несколько переходников для одновременного заряда различных устройств, вес может достигать 1,5 кг.

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

Как работает солнечная батарея?

Работа солнечной батареи основывается на фотоэлектрическом эффекте. Первый функционирующий фотоэлемент был создан русским ученым Александром Столетовым, но открытие его еще середине XIX приписывают французскому физику Александру Беккерелю.

Фотоэлектрический эффект достигается путем замыкания полупроводников (фотоэлементов) в электрическую цепь. Один полупроводник должен иметь в составе лишние электроны (n-слой), во втором их должно не хватать (р-слой). Лучи солнца способны выбивать лишние электроны из n-слоя, после чего они автоматически направляются на свободные места в р-слое, и наоборот. Таким образом достигается постоянное движение электронов. Вытесненные из р-слоя электроны проходят через аккумулятор и возвращаются в n-слой.

Отдельные фотоэлементы могут обеспечить электроэнергией незначительные по мощности объекты, а для питания крупных объектов требуется объединить множество фотоэлементов в одну электрическую цепь.

Первым в истории фотоэлементом стал селен, но он обладал КПД менее одного процента, поэтому ему сразу же стали искать замену. Нашли ее в кремние и до сих пор этот элемент наиболее широко используется в солнечных панелях.

Эффективность солнечных батарей

В зависимости от действия различных факторов КПД солнечной электростанции способен изменяется как в сторону увеличения, так и уменьшения. На эффективность работы гелиопанелей оказывают влияние:

  • температурный режим работы;
  • уровень освещенности;
  • угол, под которым панель освещается солнечными лучами;
  • сопротивление потребителей (нагрузки);
  • затемнение участков панели;
  • загрязнение поверхности батарей.

КПД гелиопанелей падает при повышении температуры. При облачности снижается производительность ФЭП с линзами, фокусирующими солнечное излучение.

Идеальным считается угол падения лучей на панель 90 градусов. Если он отклонится от прямого, например, в пределах 30 градусов, то КПД солнечной батареи упадет примерно на 5 %. Дальнейшее изменение угла приводит к значительному снижению производительности за счет увеличения количества отраженного света.

ФЭП должно быть равномерно освещено. Затемненные участки не только не генерируют электричество, но и становятся источниками дополнительной нагрузки. Перед батареями не должно быть объектов, закрывающих их частично или полностью от солнечных лучей. Поверхность панелей необходимо регулярно очищать от грязи и пыли.

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

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.

Кроме мощности и напряжения, важно выбрать фирму-производителя. Такое оборудование приобретается на срок несколько десятков лет, поэтому экономить на качестве нельзя

Производители, давно работающие на рынке, это понимают и дорожат своей репутацией. Можно почитать отзывы о них в интернете и выбрать с самыми положительными.

Характеристики кремниевых солнечных батарей

Кварцевый порошок — это сырьевой материал для кремния. Данного материала на Урале и Сибири очень много, поэтому именно кремниевые солнечные панели есть и будут в большем обиходе, чем остальные подтипы.

Монокристалл

Монокристаллические пластины (mono–Si) содержат в себе синевато–темный цвет, равномерно размещенный на всей пластине. Для таких пластин применяется максимально очищенный кремний. Чем он чище, тем солнечные батареи имеют КПД выше и самую наибольшую стоимость на рынке таких устройств.

Преимущества монокристалла:

  1. Наивысший КПД — 17–25%.
  2. Компактность — задействование сравнительно с поликристаллом меньшей площади для развертывания оснащения в условиях тождества мощности.
  3. Износостойкость — бесперебойная работа выработки электроэнергии без замены основных комплектующих обеспечивается за четверть века.

Недостатки:

  1. Чувствительность к пыли и грязи — осевшая пыль не дает батареям работать со светом от светила и соответственно уменьшает КПД.
  2. Высокая цена равна увеличенному сроку окупаемости.

Так как mono–Si нуждаются в ясной погоде и лучах Солнца, панели устанавливаются на открытых местах и поднятые на высоту. Насчет местности, то предпочтение отдается местности, в которой ясная погода обыденность, а количество солнечных дней приближено к максимальному.

Поликристалл

Поликристаллические пластины (multi–Si) наделены неравномерным синим окрасом из–за разнонаправленности кристаллов. Кремний не настолько чист, как в используемых mono–Si, поэтому КПД несколько ниже, вместе со стоимостью таких солнечных батарей.

Положительные факты поликристалла:

  1. Коэффициент полезного действия 12–18%.
  2. При неблагоприятной погоде КПД лучше, чем у Mono–Si.
  3. Цена данного агрегата меньше, а сроки окупаемости намного ниже.
  4. Ориентация на солнце не принципиальна, поэтому можно размещать их на крышах различных строений.
  5. Длительность эксплуатации — эффективность поглощения энергии и аккумулирования электричества падает до 20% спустя 20 лет непрерывной эксплуатации.

Недостатки:

  1. КПД уменьшен до 12–18%.
  2. Требовательность к месту. Для развертывания нормальной станции выработки электроэнергии нужно больше места, чем при задействовании батареи из монокристалла.

Аморфный кремний

Технология производства панелей существенно отличается от предыдущих двух. В приготовлении задействованы горячие пары, опускающиеся на подложку без образования кристаллов. При этом используется меньше производственного материала и это учитывается при формировании цены.

Преимущества:

  1. Коэффициент полезного действия — 8–9% во втором поколении и до 12% в третьем.
  2. Высокий коэффициент полезного действия при не совсем солнечной погоде.
  3. Возможность использования на гибких модулях.
  4. Эффективность батарей не падает вниз при повышении температуры, что позволяет монтировать их на всякие поверхности с нестандартной формой.

Основным недостатком можно считать меньший КПД (если сравнивать с иными аналогами), в связи с чем требуется большая площадь для получения сопоставимой отдачи от оборудования.

Источники энергии

Источники энергии, берущиеся из окружающей среды, становятся все более актуальными.

Вода, ветер и солнце являются практически бесконечными источниками, способными обеспечить практически неиссякаемой энергией. Остается только преобразовать ее в электроэнергию.

Причем эти источники доступны не только в промышленных масштабах, ими может воспользоваться и простой обыватель.

Самым оптимальным для владельца дома или дачи является использование солнечной энергии.

Ведь реки есть не везде, существуют и районы, где ветра не так уж и много, а вот дневной свет способен обеспечить электроэнергией практически в любом месте земного шара.

Конечно, полностью обеспечить электроэнергией все приборы в доме за счет энергии солнца удастся не всегда, но часть их – вполне возможно.

Количество вырабатываемой электроэнергии зависит от многих факторов: площади солнечных панелей, материала их изготовления, особенностей дополнительного оборудования, погодных условий.

Контроллеры

Перейдем к контроллерам заряда. Через них проходит выработанная энергия и подается на аккумуляторы.

Сейчас производятся два типа контроллеров – широтно-импульсной модуляции (ШИМ-контроллер) и слежения за точкой максимальной мощности (МРРТ-контроллер).

ШИМ-контроллеры более простые и доступные.

Однако при их использовании теряется до 30 % выработанной панелями энергии.

МРРТ-контроллер же способен произвести 100% выработку энергии, но и стоимость его значительно выше.

К примеру, выходная мощность панелей составляет 2 кВт. При использовании ШИМ-контроллера из-за потерь выработки конечная мощность составит 1400-1600 Вт. А вот МРРТ-контроллер способен обработать все 2 кВт мощности.

Поэтому рекомендуется при установке панелей с выходной мощностью свыше 1 кВт использовать МРРТ-контроллер.

Что касается мощностных показателей, то подбирается контроллер по мощности, которую он способен обработать.

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.

Как повысить эффективность солнечных батарей?

Для достижения максимально эффективной электрификации помещений:

  • Перед покупкой и установкой батарей следует со стороной куда будут устанавливаться панели. Желательно делать это на южное направление.
  • Для оценки освещенности лучше всего будет воспользоваться люксметром либо пригласить специалиста, который составит вам предварительную смету и рассчитает рентабельность системы.
  • Рассчитайте окупаемость системы – если вы живете в Центральной России или в северных регионах, то установка аккумуляторных батарей будет неоправданно высока.

Если в живете в южном регионе, то солнечные панели отлично вам подойдут. Однако для оптимальной работы необходим корректный расчет и правильная установка.

Категории качества

Чтобы оценить качество солнечной панели, надо в первую очередь выяснить класс использованного для производства фотоэлектрических элементов сырья. От этого зависят эффективность и срок службы готовых изделий. Основных классов 4:

Лучше выбирать первый вариант, на крайний случай подойдет и второй. Только они смогут обеспечить нормальную эффективность и будут служить долгое время.


Защитная пленка на солнечных панелях тоже должна быть качественной.

Ламинирующий материал EVA – это специальная пленка, которая располагается с лицевой стороны и может использоваться на изнаночной. Главное назначение – защита рабочих элементов от неблагоприятных воздействий без создания помех для солнечного света. Качественные варианты служат около 25 лет, некачественные – от 5 до 10. Определить разновидность на глаз невозможно, поэтому проще исходить из цены – у добротных вариантов она не будет низкой.

В видео на примере наглядно разбирают, как воздействии солнечного света возникает электрический ток.

Действующее напряжение

Наиболее часто встречаемый номинал аккумуляторной батареи — кратный 12 В. Такие компоненты гелиостанции, как контроллер, инвертор, солнечные модули рассчитаны на напряжение от 12 до 48 В. Присутствие 12 В аккумуляторов удобно тем, что при выходе их из строя, замену можно выполнить по одному.

При напряжении вдвое большем, исходя из специфики эксплуатации АБ, возможна только замена пары. В сети 48 В на одной ветке придется менять все четыре батареи, к тому же 48 В — это уже угроза с точки зрения электробезопасности. С другой точки зрения, чем выше напряжение, тем меньшего сечения провода потребуются, а контакты будут более надежными.

При выборе номинала нужно учитывать как мощностные характеристики инверторов, так и значение пиковой нагрузки:

48 В — от 3 – 6 кВТ;

24 или 48 В — от 1,5 – 3 кВт;

12, 24, 48В — до 1, 5 кВт.

Если емкость и цена АБ примерно равны, выбор следует остановить на аккумуляторе с наивысшей допустимой глубиной разряда и наибольшей разрешенной величиной тока. Ресурс АБ значительно повышается, когда этот показатель не превышает 30 – 50%.

Виды солнечных электростанций

В зависимости от потребностей объекта существуют различные типы солнечных электростанций (СЭС) и источников бесперебойного питания (ИБП). «Мосэнергосбыт» предлагает для установки следующие решения:

  • сетевые СЭС;
  • автономные СЭС;
  • гибридные СЭС;
  • системы резервного питания на базе АКБ с функцией ИБП (сетевые, без использования солнечной энергии).

Комплекты оборудования в каждом случае могут различаться и подбираются индивидуально в зависимости от потребностей заказчика. Наши специалисты обязательно проконсультируют вас перед покупкой и помогут подобрать наиболее выгодное предложение.

Виды кремниевых батарей

Наиболее популярными являются кремниевые батареи. Они отличаются долговечностью и качественной работой. Их различают два вида: монокристаллические и поликристаллические.

Виды пленочных батарей

Теперь рассмотрим виды солнечных батарей пленочного типа. Пленочная панель достаточно недавно появилась в сфере получения альтернативной солнечной энергии. На сегодняшний день они не пользуются большой популярностью, в том числе и из-за высокой стоимости, но имеют свои преимущества. Они бывают нескольких типов. Рассмотрим каждый из них: на основе теллурида кадмия и на основе Cigs.

Как сделать правильный выбор?

Для владельцев домов, расположенных на Европейском континенте выбор довольно прост — это поликристалл либо монокристалл из кремния. При этом, при ограниченных площадях стоит сделать выбор в пользу монокристаллических панелей, а при отсутствии таких ограничений — в пользу поликристаллических батарей. При выборе производителя, технических параметров оборудования и дополнительных систем стоит обратиться к компаниям, которые занимаются как продажей, так и установкой комплектов. Учитывайте, что вне зависимости от производителя — качество систем у «топовых» производителей вряд ли будет отличаться, поэтому не дайте себя обмануть, изучая ценовую политику.

Бюджетным, но эффективным выбором станут панели от компании Amerisolar, поликристаллическая модель носит название AS–6P30 280W, имеет размер 1640х992 мм и выдаёт, соответственно — 280 Вт мощности. КПД модуля составляет 17.4%. Из минусов — гарантия всего 2 года. Но стоимость ∼7 тыс. рублей.
Аналогичным по мощности будет модуль RS 280 POLY от китайской Runda, стоимость ещё ниже — около 6 тыс

рублей.
Если место ограничено, стоит обратить внимание на продукт компании LEAPTON SOLAR — LP72–375M PERC, КПД составляет 19.1%, и при размерах 1960х992 мм получаем на выходе 375 Вт энергии. Стоимость такой батареи будет в районе 10 тыс. рублей.
Ещё одним эффективным вариантом с меньшими габаритами, 1686х1016 мм будет новинка от LG — NeOn 340 W

«Не он» может похвастаться КПД в 19.8%, но не может похвастаться стоимостью, она будет более чем в половину выше предыдущего образца — примерно 16 тысяч рублей.
Для тех, кто хочет обратить своё внимание на премиальный сегмент, тайваньская компания BenQ выпустила на рынок монокристальный модуль SunForte PM096B00 333W, выдающий на выходе 333 Вт мощности, имеющий номинальный КПД в 20.4% при размерах 1559х1046 мм. Этот модуль получил впечатляющую стоимость в почти 35 тысяч рублей.

рублей.
Ещё одним эффективным вариантом с меньшими габаритами, 1686х1016 мм будет новинка от LG — NeOn 340 W

«Не он» может похвастаться КПД в 19.8%, но не может похвастаться стоимостью, она будет более чем в половину выше предыдущего образца — примерно 16 тысяч рублей.
Для тех, кто хочет обратить своё внимание на премиальный сегмент, тайваньская компания BenQ выпустила на рынок монокристальный модуль SunForte PM096B00 333W, выдающий на выходе 333 Вт мощности, имеющий номинальный КПД в 20.4% при размерах 1559х1046 мм. Этот модуль получил впечатляющую стоимость в почти 35 тысяч рублей.

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitter
Напишите комментарий