Солнечные батареи: принципы работы и схема подключения. Принцип действия солнечной батареи
Принцип работы современных солнечных батарей
Сегодня энергия солнца используется повсюду, от мобильных устройств, до питания домов. Первым вариантом использования солнечной энергии были солнечные коллекторы, однако современные солнечные батареи справляются с этим намного лучше. Принцип работы солнечных батарей не так сложен, как может показаться. После прочтения этой статьи вы узнаете больше о том, как же работает солнечная батарея.
1. Виды солнечных батарей.
1.1. Принцип работы солнечной батареи
Для начала нужно уточнить, что современные солнечные батареи бывают 3-х видов:
Монокристаллические
Поликристаллические
Тонкопленочные (аморфные)
Самыми распространенными видами солнечных батарей считаются монокристаллические и поликристаллические батареи. Они обладают достаточно высоким КПД, а так же имеют относительно низкую цену, однако у таких батарей есть недостаток - конструкции с их использованием не обладают гибкостью, которая необходима в некоторых случаях.
Именно в таких случаях используются тонкопленочные солнечные батареи. Толщина активного элемента аморфных солнечных батарей составляет от 0,5 до 1 мкм, тогда как толщина активного элемента в кристаллических батареях 300 мкм.
Светопоглащаемость аморфного кремния в 20 раз больше, чем у кристаллического, однако КПД аморфных солнечных батарей составляет приблизительно 10%, против 15% у поликристаллических, и 17% у монокристаллических.
Невозможно однозначно сказать какие солнечные батареи лучше. Например тонкопленочным солнечным батареям не нужен прямой солнечный свет, тогда как поли и монокристаллические должны находиться именно на улице под прямыми солнечными лучами.
1.2. Из чего сделана солнечная батарея?
Солнечные батареи обычно изготавливаются из кремния. Однако чистый кремний практически никогда не используют при их производстве. На характеристики солнечных батарей влияют материалы, из которых изготовлены пластины. Для положительного заряда в качестве примеси к кремнию чаще всего используют бор, а для отрицательного – мышьяк.
Так как солнечные батареи работают зимой так же, как и летом – в пластины добавляют специальные примеси, такие как галлий, медь, арсенид, кадмий, теллурид, селен для того, чтобы сделать их менее чувствительными к перепадам температуры. Это делает элементы солнечной батареи зимой более надежными, и снижает риск их поломки.
2. Принцип действия солнечных батарей.
Многие из вас еще в школе проводили опыт, который описывает принцип работы солнечной батареи. Суть опыта в том, что на n-p переход транзистора со спиленной верхней крышкой падает свет, и если подключить вольтметр, то можно зафиксировать ток. Соответственно чем больше площадь n-p перехода, тем больше ток.
Так как атомы в p-слое полупроводника имеют лишние электроны, а в атомах n-слоя наоборот их недостает – то под воздействием лучей света электроны из p-слоя вбиваются и стремятся перейти в n-слой. В солнечной батарее между слоями находится диэлектрик, поэтому электроны проходят через нагрузку (аккумулятор), и только тогда достигают n-слоя.
3. Где используются солнечные батареи?
Наверное, многие впервые встретились с солнечными батареями около 20 лет назад, когда повсюду стали появляться калькуляторы с
фотоэлементами, что позволяло не менять батарейки в них годами. С тех пор солнечные батареи можно встретить где угодно. Ими оснащают дома в солнечных странах, их устанавливают на машины, их встраивают в мобильные телефоны, существует даже беспилотный самолет, который работает за счет одних только солнечных батарей. Существуют так же и солнечные электростанции, которые вырабатывают электричество для целых городов.
В Пекине в честь летней олимпиады был построен стадион, который аккумулирует солнечную энергию в течении дня, а потом тратит ее же на освещение стадиона, поливку газонов, работу телекоммуникационного оборудования.
В настоящее время в данной отрасли ведутся активные исследования. В начале 2013 года компания Sharp разработала солнечную батарею с КПД 44%.
4. Как устроены солнечные батареи: Видео
www.techno-guide.ru
Принцип действия или как работают солнечные батареи
Сегодня энергия солнца используется повсюду, от мобильных устройств, до питания домов. Первым вариантом использования солнечной энергии были солнечные коллекторы, однако современные солнечные батареи справляются с этим намного лучше. Принцип работы солнечных батарей не так сложен, как может показаться. После прочтения этой статьи вы узнаете больше о том, как же работает солнечная батарея.
1. Виды солнечных батарей.
1.1. Принцип работы солнечной батареи
Для начала нужно уточнить, что современные солнечные батареи бывают 3-х видов:
Монокристаллические
Поликристаллические
Тонкопленочные (аморфные)
Самыми распространенными видами солнечных батарей считаются монокристаллические и поликристаллические батареи. Они обладают достаточно высоким КПД, а так же имеют относительно низкую цену, однако у таких батарей есть недостаток - конструкции с их использованием не обладают гибкостью, которая необходима в некоторых случаях.
Именно в таких случаях используются тонкопленочные солнечные батареи. Толщина активного элемента аморфных солнечных батарей составляет от 0,5 до 1 мкм, тогда как толщина активного элемента в кристаллических батареях 300 мкм.
Светопоглащаемость аморфного кремния в 20 раз больше, чем у кристаллического, однако КПД аморфных солнечных батарей составляет приблизительно 10%, против 15% у поликристаллических, и 17% у монокристаллических.
Невозможно однозначно сказать какие солнечные батареи лучше. Например тонкопленочным солнечным батареям не нужен прямой солнечный свет, тогда как поли и монокристаллические должны находиться именно на улице под прямыми солнечными лучами.
1.2. Из чего сделана солнечная батарея?
Солнечные батареи обычно изготавливаются из кремния. Однако чистый кремний практически никогда не используют при их производстве. На характеристики солнечных батарей влияют материалы, из которых изготовлены пластины. Для положительного заряда в качестве примеси к кремнию чаще всего используют бор, а для отрицательного – мышьяк.
Так как солнечные батареи работают зимой так же, как и летом – в пластины добавляют специальные примеси, такие как галлий, медь, арсенид, кадмий, теллурид, селен для того, чтобы сделать их менее чувствительными к перепадам температуры. Это делает элементы солнечной батареи зимой более надежными, и снижает риск их поломки.
2. Принцип действия солнечных батарей.
Многие из вас еще в школе проводили опыт, который описывает принцип работы солнечной батареи. Суть опыта в том, что на n-p переход транзистора со спиленной верхней крышкой падает свет, и если подключить вольтметр, то можно зафиксировать ток. Соответственно чем больше площадь n-p перехода, тем больше ток.
Так как атомы в p-слое полупроводника имеют лишние электроны, а в атомах n-слоя наоборот их недостает – то под воздействием лучей света электроны из p-слоя вбиваются и стремятся перейти в n-слой. В солнечной батарее между слоями находится диэлектрик, поэтому электроны проходят через нагрузку (аккумулятор), и только тогда достигают n-слоя.
3. Где используются солнечные батареи?
Наверное, многие впервые встретились с солнечными батареями около 20 лет назад, когда повсюду стали появляться калькуляторы с
фотоэлементами, что позволяло не менять батарейки в них годами. С тех пор солнечные батареи можно встретить где угодно. Ими оснащают дома в солнечных странах, их устанавливают на машины, их встраивают в мобильные телефоны, существует даже беспилотный самолет, который работает за счет одних только солнечных батарей. Существуют так же и солнечные электростанции, которые вырабатывают электричество для целых городов.
В Пекине в честь летней олимпиады был построен стадион, который аккумулирует солнечную энергию в течении дня, а потом тратит ее же на освещение стадиона, поливку газонов, работу телекоммуникационного оборудования.
В настоящее время в данной отрасли ведутся активные исследования. В начале 2013 года компания Sharp разработала солнечную батарею с КПД 44%.
4. Как устроены солнечные батареи: Видео
www.techno-guide.ru
Принцип работы солнечной батареи
Солнечные батареи, как источник альтернативной энергии, сегодня уже не относят к инновационным технологиям науки. Впервые, использованные уже более сорока лет назад для электропитания станций в открытом космосе, они с успехом применяются, в качестве независимого источника экологически чистой электроэнергии.
Элементы солнечных батарей изготавливают из материалов, преобразующих солнечный свет в электричество. Фотоэлектрическая батарея конструктивно состоит из нескольких модулей, электрически и механически соединенных между собой. Каждый солнечный модуль – это устройство, объединяющее несколько фотоэлектрических элементов и выходные клеммы для подключения электроприемников. Фотоэлектрический элемент состоит из 2-х пластин полупроводникового материала. Основную часть, выпускающихся промышленностью элементов батарей, изготавливают из чистого кремния. На одну пластину, с целью придания ей свойств проводника отрицательных зарядов (n-область), наносят бор. Вторую же, с целью создания проводника положительных зарядов, покрывают фосфором (р – область).
Под воздействием солнечных лучей в зоне соприкосновения двух пластин возникает электродвижущая сила, которая способна создавать электрический ток во внешнем контуре, электрически соединенном с р- и n-областями. Для того, чтобы снять ток с батарей их пропаивают тонкими полосами меди. Спаянные друг с другом пластины спаивают, ламинируют, а затем закрепляют на стекле. Для придания конструкции прочностных свойств соединенные пластины размещают в алюминиевую раму.
Явление, в основе которого лежит принцип работы солнечных батарей, имеет название «внешний фотоэффект». Мощность, вырабатываемая батареей, напрямую зависит от площади ее поверхности. На эффективность работы солнечных батарей оказывает влияние также положение относительно Солнца модулей и интенсивность излучения. Таким образом, КПД батарей зависит от времени года, места установки, погоды.
Энергия, генерируемая фотоэлектрической установкой, не предназначена для непосредственного подключения потребителей. Между электрогенерирующей установкой и потребляющей сетью необходимо подключать инвертор, с целью трансформирования напряжения в стандартные величины одно или трехфазного номинала (220 или 380В).
Солнечные фотоэлектрические модули способны вырабатывать электроэнергию в течение 25 и больше лет. Технический износ в большинстве случаев возникает вследствие влияния окружающей среды, поскольку в таких установках отсутствуют подвижные механизмы, а также нет никаких термодинамических процессов. Грамотно смонтированная солнечная батарея станет экологически безопасным, бесшумным и надежным источником электроэнергии на долгие годы.
pue8.ru
как работает и из чего состоит, видео и принцип действия, устройство
Принцип работы солнечной батареи заключается в преобразовании солнечных лучей в электротокСолнечная батарея – далеко не первое устройство, которое использует энергию Солнца в качестве альтернативной электрической энергии. Сначала появились терминальные электростанции, которые иначе называются коллекторами. Они солнечными лучами нагревали воду до 100 градусов, в итоге вырабатывалось электричество. Энергия проходила многоступенчатую трансформацию – сначала солнечные лучи скапливались, потом жидкость кипела, образовывался пар, приходил в движение паровой двигатель, и тепловая энергия становилась механической. Солнечная же батарея работает иначе.
Суть вопроса: как работает солнечная батарея
Тем солнечная батарея отличается от коллектора, что продукция Солнца напрямую трансформируется в электроэнергию. Она использует не тепло, а именно свет, потому электроэнергия вырабатываться может, в том числе, и зимой. Получается фотоэлектрический эффект, которому благоприятствуют специальные полупроводники, входящие в состав батареи.
Солнечная батарея:
Сделана из пластины, которая имеет цепочку соединительных полупроводников или фотоэлементов;
Эти фотоэлементы и преобразовывают солнечную энергию в электроток.
Принцип работы солнечной батареи
Если говорить о мини-станциях на солнечных батареях, то они состоят из:
Солнечных модулей;
Аккумуляторов;
Контролера;
Инверторов.
Помимо этого еще понадобятся комплект проводов, первичный преобразователь, приборы контроля заряда в аккумуляторах, а еще устройство, отбирающее мощность у батареи. Сама же батарея работает по не такой уж и сложной схеме. Ее поймет даже не самый подкованный в физике человек.
Как это происходит: принцип работы солнечной батареи
В основе всего – цепь физических процессов. Сначала солнечную энергию улавливают солнечные пластины, потом эти нагретые пластины освобождают электроны, они активизируются и двигаются по проводникам. Эти проводники, в свою очередь, направляют поток электронов в накопители энергии, почему и происходит подзарядка. Далее с помощью преобразователя постоянный ток меняется на переменный. Проводными подключениями происходят подача данных бытовой технике.
Солнечные батареи бывают разные. И выбирать их нужно с учетом климатических условий вашего региона. Плиты могут отличаться структурой поверхностного слоя, а также технологией изготовления.
Солнечные панели бывают нескольких видов
Виды солнечных батарей:
Покрытие – монокристаллический кремний, это самый дорогой фотоэлемент, потому как он позволяет накапливать солнечную энергию даже при сильной облачности;
Плиты из аморфного кремния пока не могут похвастаться выпуском в промышленных объемах;
Покрытие поликристаллическим и монокристаллическим кремнием – доступны по стоимости, так как используется упрощенная технология производства, но по электротехническим показателям это не лучший тип батареи.
Конечно, по двум пространным советам батарею не выберешь. Нужно учитывать многое, от местного климата до особенностей постройки. И, конечно, финансовые возможности тоже идут в учет.
Плюсы и минусы принципа действия солнечных батарей
Чтобы дать полную характеристику устройству, нужно рассмотреть его преимущества и недостатки. Хватает и первых, и вторых. Хотя все эти характеристики можно назвать относительными: многим минусы покажутся несущественными.
Солнечные батареи имеют массу преимуществ
Плюсы солнечных батарей:
Это автономное устройство;
За энергию (что очень важно) не нужно платить;
Можно регулировать температуру;
Запасы ресурса постоянно пополняются;
Это безопасно и, конечно, экологично;
Использоваться батарея может и как основной источник, и как резерв;
Эксплуатироваться батарея может долго.
Как видите, плюсы весомые. А что же с минусами? Ну, во-первых, это дорогая стоимость устройства. Во-вторых, природные особенности, непогода, влияет тоже на работу солнечных батарей. Потом – приходится искать место под установку, оборудование нуждается в обслуживании, зимой производительность батарей снижается. Ну а чтобы увеличить мощность, требуется модернизация системы.
Полимерный пленочный солнечный преобразователь: из чего состоит солнечная батарея
Почему упоминается этот вид батарей, потому как он считается перспективной альтернативной батареям из кремния. Это пленка, состоящая из активного полимерного слоя, электродов из алюминия, особой гибкой органической подложки, а также специального защитного слоя. Вследстиве того, что все пленочные фотоэлементы объединены друг с другом, получается не набор панелей, а полноценная рулонная солнечная батарея.
Эти устройства отличает гибкость, легкость, компактность. Они считаются экологичными в большей степени, чем аналоги. Но вот КПД их очень высоким не назовешь. Он не превышает шести с половиной процентов. Правда, найти на рынке такой товар пока сложно. Масштабного производства не налажено. Однако оно развивается, и через какое-то время обещает быть очень востребованным.
Полимерный пленочный солнечный преобразователь отличается простотой монтажа и гибкостью
Первые полимерные батареи выпускаться начали в Дании. Производство заключено в многослойной печати фотоэлемента на гибкую пленку. Потом эту пленку можно и резать, и скручивать, то есть делать батареи буквально любых размеров. И стоимость таких батарей будет существенно ниже, нежели кремниевых.
Что такое садовые фонари на принципе солнечных батарей
Неправильным будет не упомянуть и это чудо техники. Сегодня немалой популярностью пользуются красивые экологичные фонари для сада на солнечных батареях. Это очень удобно – фонари освещают садовую территорию, к, а лишней электроэнергии вы при этом не тратите.
А принцип работы этих фонарей прост. В верхнюю часть фонаря вмонтирована фитопластина, осуществляется улавливание и последующее преобразование солнечной энергии. Накапливается она в небольшом аккумуляторе, расположенном в основании фонарика. И расход той энергии, что накопилась, осуществляется поздним вечером и ночью. Очень удобно!
Солнечные батареи (видео)
Солнечная батарея (либо фотобатарея) преобразовывает энергию солнечных лучей в электрическую. Она может использоваться сразу же, либо накапливаться. В производстве несколько видов батарей, отличающихся мощностью и стоимостью. Но процесс будет только совершенствоваться, потому стоит надеяться на быстрый прогресс в этой области.
Отличного выбора!
Добавить комментарий
teploclass.ru
Принцип работы солнечных батарей и их ключевые особенности
Главная особенность умного дома — обеспечение комфорта и безопасности приживающих при эффективном использовании ресурсов.
Такая задача решается установкой собственных источников энергоснабжения и автоматизированных систем, обеспечивающих бесперебойное поступление энергоресурсов за счет своевременного переключения подачи с различных источников.
Солнечные батареи (гелиосистемы) — один из вариантов автономного электроснабжения. Если вас заинтересовала данная информация, читайте дополнительно о том, как сделать солнечные батареи дома своими руками? Ознакомьтесь также с нашим материалом о солнечных электростанциях для вашего дома.
Исторический экскурс
Хотя первые устройства, вырабатывающие электрический ток под воздействием солнца, были сконструированы еще в XIX веке, фактически история создания солнечной батареи начинается с 1954 года. 25.04.1954 в США были получены первые фотоэлектрические элементы на основе кремния.
Их принцип работы позволил повысить КПД c 1% до 6%. Новые разработки в гелиоэнергетике велись постоянно, и в 1970 году КПД составлял уже 10%. Однако, из-за высокой стоимости производства, такие источники энергии по-прежнему использовались лишь в открытом космосе.
В конце 80-х — начале 90-х прошлого века, когда КПД фотоэлектрических элементов вырос до 20%, началось использования гелиоэнергии на Земле. В 2013 году были созданы элементы на индиево-галлий-арсенидной основе, КПД которых составляет 44,4% (компания Sharp). В том же году группа специалистов создала батареи с использованием линз Френеля. Их КПД составлял 44,7%.
Элементы солнечных батарей
Принцип работы фотоэлектрических панелей заключается в выработке постоянного тока. Так как все приборы работают от переменного тока, то для полноценной работы гелиосистем нужны несколько элементов:
фотоэлектические панели (модули),
аккумуляторы,
контроллер аккумулятора,
инвертор 12/24−220V.
Контроллер следит за зарядкой и разрядкой аккумулятора. Ивертор (преобразователь тока) — преобразует постоянный ток в переменный. Аккумуляторы нужны для хранения выработанной энергии. В батарее могут использоваться два типа аккумуляторов: свинцовые или гелевые.
Принцип работы фотопреобразователей
Модули состоят из отдельных элементов — фотоэлектропреобразователей (ФЭП). ФЕП — это кремниевые полупроводники, могут быть трех типов:
из монокристаллического кремния,
из поликристаллического кремния,
из ленточного кремния (гибкого).
Принцип работы ФЭП построен на разнице потенциалов, так как полупроводник имеет два слоя (на атомном уровне) — n-типа и p-типа.
Между ними образуется слабое электрическое поле p-n переход.
Под воздействием фотонов света, выбиваются электроны в зоне n-типа и образуются дырки в зоне p-типа.
Если к кремниевой пластине подсоединить внешний проводник, то нему электроны из n-зоны перетекают в p-зону. При этом в проводнике появляется напряжение, то есть энергия фотонов света преобразуется в электрическую.
Из чего состоит модуль гелиоустановки?
В продаже есть готовые панели мощностью 40−260 пиковых ватт. Пиковые ватты показывают максимально возможную мощность при ярком солнце и правильной установке (угол наклона, соединение). Их размер колеблется от 0,4 до 2,5 квадратных метров.
При желании такой модуль можно собрать самостоятельно, но следует учесть, что нужно обеспечить высокую степень герметизации. В заводских условиях это достигается помещением модуля в вакуумную печь, где и производится ламинирование.
По своей конструкции модуль — это отдельные ФЭП элементы, соединенные между собой металлическими шинами. После соединения, получившуюся панель, шунтируют диодами. Это делается для предотвращения выхода из строя тех частей, которые могут оказаться затененными.
При отсутствии диодов энергия из освещенных ячеек перетекает в неосвещенные, из-за чего последние перегреваются. Если шунтирование произведено, то в момент затемнения панель дает меньшую мощность (на 25%), а все ячейки остаются работоспособными.
Далее панель ламинируют и помещают между многослойными стеклами, после чего заключают в пластиковый или алюминиевый каркас. К нижней стороне модуля подключают клеммную коробку, где находятся контакты для подключения к электрической цепи.
Как производить подключения?
Варианты монтажа солнечных панелей могут быть различны:
Горизонтальный, при установке на плоскую крышу.
Наклонный, при установке крышу с углом ската выше 15.
Свободностоящий, при установке панелей на опорные конструкции.
Интегрированный, при установке панелей, как элементов здания.
При выборе варианта следует учитывать, поверхность фотоэлементов должна быть ориентирована на юг, а оптимальный угол падения лучей на панель — 90º.
В идеале панели устанавливаются на поворотные конструкции. На практике угол наклона меняется два раза в год — в зимний период выставляется 60º-70º относительно линии горизонта, а в летний — 15º-20º.
Независимо от установки, принципиальная схема подключения в энергосистему дома не отличается. Ниже приведена схема подключения с использованием сетевого и аккумуляторного контроллера.
Это позволяет использовать энергию от гелиоустановки даже при наличии напряжения в центральной сети, что увеличивает эффективность использования ресурсов.
Какие альтернативы существуют и что лучше использовать?
Кроме гелиосистем, в качестве автономных источников энергии могут использоваться следующие виды:
дизель-генератор,
ветрогенератор,
тепловой насос.
Дизель-генератор традиционно используется, как автономный или резервный источник питания.
Однако такие устройства имеют ряд недостатков — высокий уровень шума, пожароопасность, а также выделение в процессе работы большого объема выхлопных газов. Главное достоинство — стабильная работа, независимо от погодных условий.
Дизель-генераторы нельзя назвать независимыми источниками энергии, так как принцип их работы не выработка энергии, а преобразование с использованием невозобновляемых ресурсов.
Достоинства ветрогенератора — экологичность и полная автономность.
Недостаток — зависимость от погоды. Это очень ощутимый минус, так как при полном штиле можно надолго остаться без электричества. Тепловые насосы бывают различных конфигураций, они независимы от сезонности и внешних условий.
К условным недостаткам этого источника энергии можно отнести тот факт, что он вырабатывает только тепловую энергию. То есть его можно использовать для отопления или кондиционирования дома, а также для подогрева воды.
Учитывая недостатки и достоинства вышеперечисленных систем, можно сделать вывод, что умный дом должен иметь комбинированную систему. Например, солнечные батареи могут дополняться тепловым насосом. Такой вариант позволяет обеспечивать дом и тепловой, и электрической энергией.
https://youtu.be/aAH0LAiiHAA
umnodom.net
Принцип работы солнечных батарей: устройство фотоэлементов
Что такое «солнечные батареи»? Это – устройства, генерирующие электроэнергию из солнечных лучей. Иными словами, неиссякаемые электрогенераторы. Но каков принцип работы солнечных батарей? Почему солнечные лучи, попав на их поверхность, превращаются в электроток? Очень просто – благодаря явлению фотоэффекта.
Фотоэффект и солнечные батареиСуть фотоэффекта заключается в преобразовании солнечной энергии в постоянный электроток. Происходит это следующим образом. Электроны некоторых веществ (например, кремния) способны поглощать энергию солнечных лучей. В результате они покидают свои орбиты, образуя направленный поток. Этот направленный поток электронов и будет постоянным фототоком.
Для получения этого эффекта используются специальные вещества – полупроводники. Они бывают двух типов: с p- и n-проводимостью. N-проводимость означает избыток электронов в веществе, p-, соответственно, - их недостаток. Для создания фотоэлемента необходимы два разнопроводимых полупроводника. Они помещаются один на другой, образуя двухслойную структуру. Иными словами, получается своеобразное подобие электродной батареи, в которой роль катода играет n-проводник, а анода – p-проводник.
Дальнейший принцип действия фотоэлемента основан на формировании на стыке полупроводников зоны p-n перехода. Под действием падающих лучей электроны n-проводника (который располагается вверху структуры) покидают свои атомарные орбиты. Они переходят в p-слой, где наблюдается нехватка электронов. Таким образом и возникает направленный поток электронов, он же – фототок.
Для снятия тока к пластинам полупроводников подключаются тонкие проводники и нагрузка. Работать подобная система может очень долго, так как ее функционирование на связано с химическими взаимодействиями, а значит, не происходит разрушения материалов.
Солнечные фотоэлементы
Сегодня серийные солнечные элементы выпускаются на базе кремния. Это связано с тем, что во-первых, кремний широко распространен, а во-вторых, его промышленная обработка не требует значительных затрат. Для придания кремнию разных типов проводимости используют всевозможные примеси. Например, избыток электронов создается за счет введения бора, а недостаток – мышьяка. Также применяют арсенид, галлий, кадмий и т.д. Помимо формирования проводимости добавка примесей позволяет повысить эффективность кремниевых батарей, КПД которых в среднем составляет 20%.
Конечно, существуют и солнечные батареи с гораздо более высоким КПД, но их производство крайне ограничено. Они изготавливаются малыми партиями в лабораторных условиях для спеццелей (например, для нужд космической промышленности). Это объясняется тем, что несмотря на аналогичные принципы действия, в этих солнечных батареях используются другие материал и примеси. Причем эти материалы довольно сложно обрабатывать, поэтому массовое их производство пока нецелесообразно. Тем не менее, сегодня продолжаются активные разработки в этой области, направленные на получение высокоэффективных и экономически выгодных солнечных батарей.
Типы солнечных батарей
На основе кремния производятся фотопанели трех видов:
Из монокристаллов. Для их изготовления выращиваются монокристаллы с однородной структурой. В результате такие фотоячейки отличаются равномерной поверхностью и, как следствие, лучше поглощают солнечные лучи. Иными словами, их КПД выше, чем у других видов, но при этом они стоят несколько дороже. Эти ячейки имеют вид квадратов со скошенными углами или многоугольников, что объясняется формой монокристаллической кремниевой заготовки.
Из поликристаллов. Такие ячейки имеют неоднородную, поликристаллическую, структуру. Их светопоглощение несколько ниже, чем у моноячеек, поскольку неравномерная поверхность отражает часть лучей.
На тонких пленках. Принцип работы таких солнечных батарей аналогичен кристаллическим. Но выпускаются они в виде гибких ячеек, которые можно устанавливать на криволинейных поверхностях. Эти батареи дешевы в производстве, и довольно эффективны, но для бытовых целей применяются редко, поскольку по сравнению с кристаллическими занимают большую площадь (примерно в 2,5раза) на единицу мощности.
Разумеется, каждая отдельно взятая фотоячейка не обладает достаточной производительностью. Поэтому их и объединяют в большие модули. Делается это для увеличения выходного напряжения или выходного тока системы. Для повышения тока применяют параллельную коммутацию, для напряжения – последовательную. Хотя чаще всего эти схемы комбинируются. Таким образом, классическая солнечная батарея, состоящая из нескольких фотоячеек, работает как обычная электросхема.
solarb.ru
Солнечные батареи – виды и принцип работы преобразователей
Ещё не так давно автономная система обеспечения электроэнергией была чем-то из области фантастики. Но в последнее время такие устройства приобретают большую популярность. Экономные жители европейских стран уже много лет пользуются солнечными батареями для обеспечения собственных домов электричеством.
В нашей стране такое новшество ещё на стадии развития, хотя некоторые домовладельцы уже успели по достоинству оценить выгоду от таких устройств. В первую очередь, это обусловлено постоянно растущими тарифами на электроэнергию и другие коммунальные услуги. Благодаря постоянному усовершенствованию современных технологий стоимость солнечных батарей медленно, но уверенно падает, что делает их более доступными для среднестатистического потребителя.
Как устроена солнечная батарея?
Конструктивное исполнение разных моделей устройств для преобразования энергии солнца в электричество имеет одинаковые элементы. Большая часть батарей состоит из следующих составляющих:
устройство, генерирующее, постоянный ток;
блок аккумуляторных батарей;
преобразователь постоянной величины тока в переменную.
В свою очередь, конструкция солнечной батареи состоит из фотоэлектрического преобразователя. При этом в изготовлении таких преобразующих компонентов используют кремний – достаточно дорогой природный материал. На сегодняшний день рассматривают два основных типа фотоэлектрических преобразователей:
преобразователи в изготовлении которых используется монокристаллический кремний;
приборы из поликристаллического материала.
К важнейшим техническим параметрам всех солнечных батарей можно отнести их коэффициент полезной мощности. Благодаря этому критерию определяется экономичность и качество преобразующего устройства. Полезная мощность определяется на основании показателей тока и напряжения, которые будут зависеть от степени интенсивности солнечных световых потоков, попадающих на фотоэлементы.
Хочется отметить, что величина тока на выходе солнечной батареи зависит не только от интенсивности солнца, но и от габаритов принимающих элементов. Во время дождя или зимой, когда постоянно пасмурно показатели мощности и напряжения в значительной мере снижаются, что обусловлено уменьшением выходного тока.
Если батарею замкнуть на любой нагрузке с сопротивлением, то по такой цепи начинает протекать ток, величина которого будет зависеть от качества преобразующих элементов и интенсивности потока солнечных лучей. При этом мощностные показатели, выделяемые при нагрузке, будут равны величине тока и напряжения перемноженных между собой.
Максимальных мощностных показателей, потребляемых электрическими приборами можно достичь только при оптимальном сопротивлении, которое должно соответствовать пиковому значению КПД солнечной батареи. При этом каждое преобразующее устройство обладает своим оптимальным размером сопротивления, значение которого будет зависеть от параметров фотоэлектрических преобразователей.
В конструкцию солнечной батареи входят отдельные элементы, соединённые по последовательной или параллельной схеме благодаря чему, улучшаются параметры на выходе. При последовательном соединении увеличивается величина напряжения, а при параллельном — ток. Обычно на практике используют комбинацию методов соединения что позволяет увеличить общие выходные параметры прибора.
Преимуществом комбинированного варианта соединения фотоэлементов является и то что в значительной мере увеличивается надёжность солнечной батареи. В первую очередь — это обусловлено тем, что при выходе из строя отдельно взятого элемента это практически не повлияет на качество работы устройства в целом.
Для увеличения надёжности солнечных батарей их элементы шунтируются с помощью диодов. При этом для каждого фотоэлектрического элемента используется по 4 диода. Благодаря этому отдельные элементы, на которые не попадает свет не выходят из строя. В такой ситуации приблизительно на четверть уменьшается генерируемая выходная мощность.
Если пренебречь установкой диодов, то из-за перегрева элементы принимающие солнечные лучи будут ломаться, так как при отсутствии света они начинают потреблять ток, а благодаря использованию диодов ток не будет проходить через них.
Солнечные батареи – принцип работы
Все преобразователи световой энергии в электрическую работают по достаточно простому принципу, который известен большинству людей ещё со школьного курса физики. В частности, нужно вспомнить принцип действия p-n перехода. Именно благодаря ему происходит превращение света в электричество.
Такой принцип работы может проиллюстрировать транзистор со срезанным корпусом. Лучи света, попадая, на p-n переход преобразуются в электрический ток, о появлении которого будет свидетельствовать вольтметр, подключённый к выводам. При этом если увеличить площадь перехода показатели электроэнергии также возрастут. Поэтому все современные батареи имеют достаточно большие габариты, позволяющие в полной мере удовлетворить нужды потребителей в электрической энергии.
С каждым годом происходит усовершенствование материалов и конструкции солнечных батарей, благодаря чему в значительной мере увеличивается коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую. При этом параметры тока и напряжения на выходе прибора зависят от степени освещённости фотоприёмников.
Кремниевые преобразователи солнечной энергии
Солнечными батареями, изготавливаемыми из кремния, вырабатывается ток постоянной величины, образуемый благодаря попаданию на кремневодородные элементы потоков солнечного света. Особенность материала такова что световые потоки, попадающие на поверхность, производят сдвиг электронов с орбиты атома. Благодаря этому свободные электроны вырабатывают электричество. Такие преобразователи обладают высокой производительностью, но имеют сложную в изготовлении конструкцию, из-за которой значительно возрастает цена устройства. При этом на сегодняшний день различают определённые модели кремниевых устройств.
Монокристаллический преобразователь, отличительной особенностью элементов которого является общая направленность чувствительных к свету ячеек в одном направлении. Это, в свою очередь, позволяет работать солнечной батарее с максимальным коэффициентом КПД. Но для качественной работы фотоприёмники должны быть постоянно развёрнуты к свету.
Поликристаллическое устройство работает благодаря пластинам, состоящим, из разнонаправленных кристаллов кремния что снижает уровень КПД на несколько процентов. Также такие солнечные батареи отличаются внешне, так как состоят из пластин с правильной формой и тёмно-синим окрасом. Неоднородность оттенка и структуры таких устройств обусловлена разнородностью кристаллов кремния и наличием различных примесей.
Аморфное преобразующее устройство представляет собой тончайшие кремниевые слои, получаемые путём напыления материала в условиях вакуума. В качестве основы берут высококачественную металлическую фольгу, стекло или полимерные материалы. Такие солнечные батареи имеют незначительный КПД по сравнению с другими преобразователями. Это в первую очередь обусловлено повышенным выгоранием кремниевого слоя под влиянием радиации солнечных лучей. Как стало известно, из практики качество работы аморфного преобразователя через несколько месяцев снижается на 25%, а по прошествии нескольких лет солнечная батарея совсем перестаёт работать.
Гибридный фотопреобразователь – устройство, объединившее в себе аморфные панели и микрокристаллический кремний. Качество работы гибридного преобразователя приближено к характеристикам поликристаллического аналога, с единственным отличием в том, что уровень КПД даже при рассеянном свете на порядок выше. Помимо этого, такие солнечные батареи могут преобразовывать как ультрафиолетовый спектр, так и инфракрасное излучение.
Полимерный преобразовать солнечной энергии
Полимерный преобразователь солнечной энергии в электрическую – перспективный вариант замены кремниевого аналога. Прибор состоит из плёнки с полимерным активным слоем, электродов из алюминия и подложки с высокой гибкостью. Благодаря объединению всех фотоэлементов между собой получается устройство рулонного типа.
Такие солнечные батареи достаточно гибкие и имеют незначительный вес. При этом их стоимость намного ниже чем у аналогов из кремния, который является дорогостоящим материалом. Помимо этого, такие системы обладают высокой экологичностью что очень актуально на сегодняшний день.
Хочется отметить, что полимерные солнечные батареи имеют невысокий КПД. Для широкого потребителя первые такие устройства начали производить в Дании. При этом сама процедура производства происходит за счёт многослойной печати фотоэлементов на специальной гибкой плёнке, которую можно разрезать по любым размерам что очень удобно. Стоимость плёночного элемента намного меньше чем у аналогов из кремния. Но повстречать такую солнечную батарею на прилавках магазинов практически невозможно. Процесс производства только входит в начальную стадию развития.
Работа солнечной батареи в плохую погоду
Солнечная батарея – замечательный источник электричества, придуманный человеком. Но из-за того, что основной работы таких устройств является солнечный свет, то если на улице дождь или тучи, эффективность их работы падает в разы. Особенно это актуально в осенне-зимний период года, когда погода не балует большим количеством солнечных дней.
Исходя из опыта использования солнечных источников электричества, зимой коэффициент производимой энергии падает практически в 5 раз. А если взять во внимание, что производительность таких устройств изначально ниже стандартного электроснабжения, то использование солнечных батарей зимой или в пасмурную погоду практически бессмысленно.
Помимо этого, при выпадении снега нужно выполнять очистку панелей, причём делать это нужно с максимальной осторожностью, так как любой дефект или повреждение фотоэлементов значительно снизит работу батареи в целом. А если говорить об осадках в виде града, то они просто губительны для солнечных батарей, так как все модули от механических ударов льдинок приходят в полную негодность.
Естественно, на сегодняшний день можно увеличить производительность солнечного источника электроэнергии в пасмурную погоду или зимой. Для этого были разработаны специальные приборы, отслеживающие положение солнца. Это позволяет моноблоку располагаться под правильным углом к источнику света. В первую очередь — это важно по той простой причине, что даже незначительное отклонение батареи от солнца сильно снижает её производительность. И чем сильнее угол отклонения, тем меньше электричества вырабатывается устройством.
Принцип работы солнечной батареи
Солнечные панели бывают нескольких видов
Солнечные батареи имеют массу преимуществ1.jpg)
Полимерный пленочный солнечный преобразователь отличается простотой монтажа и гибкостью
Главная особенность умного дома — обеспечение комфорта и безопасности приживающих при эффективном использовании ресурсов.
