Типы и формы солнечных батарей: принцип работы

Типы и формы солнечных батарей: принцип работы

Существуют различные типы солнечных батарей. Отличаются они параметрами, размерами, технологией производства, сроком эксплуатации. Пожалуй, самые важные пункты, которые необходимо учитывать при выборе этого альтернативного источника энергии – КПД и цена.

Есть батареи, покрытие которых изготовлено из инновационных материалов, редкоземельных металлов, их КПД превышает КПД наиболее распространенных моделей. Однако высокая стоимость последних нивелирует данное преимущество и делает их бесполезными в плане краткосрочной или среднесрочной окупаемости. О том, какие существуют типы солнечных батарей и что подойдет лучше всего для бытового использования, вы узнаете из нашего материала.

Польза солнечных батарей

Важнейшим источником энергии для нашей планеты является Солнце. Всего за 40 минут оно способно обеспечить энергетические потребности населения Земли на целый год вперед. А с учетом того, что наше светило предоставляет фактически неисчерпаемые ресурсы, их использование становится весьма перспективным. К тому же, солнечная энергия считается наиболее безопасной и экологичной, а потому и все более востребованной в различных областях человеческой деятельности.

Фото: ozon.ru

Извлекать конкретную пользу от энергии Солнца позволяют специальные устройства — солнечные батареи. Они представляют собой плоские панели, преобразующие солнечное излучение в электроэнергию. Популярность использования этих устройств с каждым годом растет.

Установка нескольких блоков таких панелей должна решать основную задачу — преобразование энергии Солнца в электрическую и обеспечение ею жилых и промышленных объектов без использования централизованной электросети. На данный момент использование солнечных батарей является наиболее эффективным и при этом экологически чистым способом превращения света в электроток. Все остальные альтернативные источники электроэнергии дают куда меньшую эффективность.

Каждая панель состоит из модулей с фотоэлементами, способными поглощать солнечное излучение и преобразовывать его в электрический ток с напряжением 220 В.

Существует несколько форм солнечных батарей. Чаще всего эти изделия имеют вид прямоугольников размером с лист шифера. Каждая такая панель вмещает 36 фотоэлементов, покрытых специальной пленкой или стеклом. Принцип действия устройства следующий. Солнечное излучение образует свободные электроны, которые проникают в панель через соединения и специальные туннели, накапливаясь внутри батареи в виде постоянного тока.

Как только этот ток достигает нужного значения, он преобразуется в переменный с напряжением в 220 В. Для этих целей используется инвертор. Чтобы обеспечить электрической энергией один дом хотя бы частично, требуется установка нескольких таких панелей.

История создания солнечных батарей

Сама идея использования бесплатной и безграничной солнечной энергии витала в умах человечества еще в давние времена. Впервые она была реализована в виде солнечных коллекторов (термальных электростанций), принцип работы которых существенно отличался от современных батарей. Вторая реализация уже представляла собой солнечные панели в нынешнем их виде. Эта попытка была достаточно удачной, давшей возможность массово обеспечивать электричеством самые разные объекты.

Несмотря на относительно короткий срок существования солнечной энергетики, она является следствием множества открытий и разработок. Но ключевым событием в области использования энергии Солнца послужило открытие явления фотоэлектрического элемента в середине позапрошлого века французским ученым Александром Эдмоном Беккерелем.

Позднее, в 1873 году, английским инженером Уиллоби Смитом был подмечен эффект фотопроводимости в селене. Наконец, спустя еще несколько лет был создан первый фотоэлемент. Американский изобретатель Чарльз Фриттс использовал для этого тонкий слой селена, расположив его между золотой и медной пластинами. КПД устройства, правда, составлял всего 1%.

Далее последовал целый ряд открытий. Так, в 1887 году Генрихом Герцем был открыт внешний фотоэффект, а двумя годами позже русский ученый Александр Столетов впервые описал закономерности, по которым этот фотоэффект происходит. Для этого изобретатель соорудил специальную установку, внутри которой из света удалось получить электрический ток. Альберт Эйнштейн также оставил свой след в этой области, объяснив в начале 20 века принцип фотоэлектрического эффекта с точки зрения квантовой механики, в связи с чем был удостоен Нобелевской премии.

Прототипы современных солнечных батарей появились благодаря разработкам итальянского ученого Джакомо Луиджи Чамичана. Последующие научные работы в области полупроводников послужили основой для синтеза кремниевых фотоэлементов в 1954 году, эффективность которых составила уже 4%. Позднее КПД был повышен до 15% компанией Bell Telephone, впервые разработавшей данные элементы.

После этого солнечные панели установили в некоторых городах и селах как автономный источник питания телефонной связи. Эта система успешно функционировала долгие годы. В космической отрасли также активно использовались фотоэлементы, которыми оснащались и продолжают оснащаться спутники, в том числе с использованием других полупроводников.

Принцип работы солнечных батарей

Работу солнечных панелей можно представить в виде следующих процессов:

• Поглощение кремниевой поверхностью батареи фотонов солнечного света.
• Взаимодействие фотонов с атомами кремния. При этом происходит отрыв электронов поверхности, что приводит к появлению напряжения. Свободные электроны под действием разницы потенциалов начинают двигаться, в итоге образуется электрический ток. Солнечная панель является полупроводником, поэтому она упорядочивает ток в одном направлении.
• Преобразование полученного электрического тока в постоянный. На этом этапе энергия аккумулируется в батарее и направляется к потребителю.

Фото: ozon.ru

При изготовлении солнечных батарей используется кварцевый песок, содержащий в себе необходимую двуокись кремния. В процессе синтеза данное сырье плавят при высоких температурах с добавлением других химических элементов. Этим достигается очистка кремния до степени 99%, требуемой для работы батарей. Производство кремниевых панелей достаточно дорогостоящее, поэтому сегодня разрабатываются фотоэлементы на основе иных, полимерных материалов. КПД таких прототипов достигает 30%.

Солнечные панели отличаются друг от друга гибкостью и жесткостью в зависимости от состава рабочего слоя и конструктивных особенностей. Большую популярность сегодня набирают гибкие изделия, выгодно выделяющиеся простотой монтажа даже на вертикальных поверхностях. Это качество позволяет добавлять к архитектуре зданий черты практичного и инновационного хайтека.

По составу фотоэлектрического слоя различают:

• Полимерные панели (КПД 7%).
• Теллурий-кадмиевые панели на основе галлия, меди, селена и индия (КПД до 15%).
• Кремниевые панели (КПД 7% в аморфной, КПД 15% в монокристаллической, КПД 13% в поликристаллической модификациях).
• Панели с использованием арсенида галлия.
• Органические панели.
• Комбинированные панели.

Чаще всего покупают наиболее дешевые кристаллические батареи, несмотря на то, что они наименее эффективны.

Основные типы современных солнечных батарей

Итак, самыми популярными на сегодня являются моно- и поликристаллические, а также тонкопленочные изделия. Эти типы различаются между собой и технологией производства, и внешним видом, и КПД.

Следует рассмотреть плюсы и минусы всех разновидностей.

Далее разберем более подробно эффективность каждого вида солнечных батарей и особенности их использования.

Как работают солнечные батареи

Cолнце есть и будет всегда! Возможно, это слишком смелое заявление, но это действительно так. По крайней мере, с точки зрения человечества. Пусть оно и взорвется через сколько-то там миллионов лет, но к тому времени мы уже покинем эту планету или сами, или в виде кучки пепла, которую развеет в космосе очередной огромный камень, налетевший на наш голубой шарик. Именно из-за такой стабильности Солнца его можно и нужно использовать для получения энергии. Люди уже давно научились это делать и сейчас продолжают совершенствовать технологии солнечной энергетики. Но как же работают солнечные панели, батареи и вообще, как можно превратить свет в электричество внутри розетки?

Солнечные панели позволяют сделать электричество чуть ли не бесплатным.

Когда появились солнечные батареи

Солнечные батареи были изобретены достаточно давно. Впервые эффект преобразования света в электричество был обнаружен Александром Эдмоном Беккерелем в 1842 году. Для создания первых прототипов потребовалось почти сто лет.

В 1948 году, а именно 25 марта, итальянский фотохимик Джакомо Луиджи Чемичан смог сделать то, что мы теперь используем и развиваем. Спустя 10 лет в 1958 году технология впервые была опробована в космосе в качестве элемента питания американского спутника, названного ”Авангард-1”. Спутник был запущен 17 марта, а уже 15 мая того же года это достижение повторили в СССР (аппарат ”Спутник-3”). То есть технологи начала массово применяться в разных странах почти одновременно.

Использование солнечных панелей в космосе — обычная практика.

Подобные конструкции применяются в космосе до сих пор, как важный источник энергии. А еще их используют на Земле для обеспечения энергией домов и даже целых городов. А еще их начали встраивать в гражданские электромобили для обеспечения большей автономности.

Вообще, важность подобных элементов невозможно переоценить. Только так можно добиться получения энергии в любой точке планеты. Гидроэнергетика, атомные станции, ветряки и тому подобные системы могут быть размещены только в определенных местах, стоят очень дорого или требуют соответствующей инфраструктуры. И только солнечные панели позволяют построить дом в пустыне и электрифицировать его. За относительно небольшие деньги. На «ветряк» их точно не хватит.

Как работают солнечные панели

Стоит немного уточнить, что понятие ”солнечная батарея” не очень правильное. Точнее правильное, но не имеющее отношение к тем системам питания, о которых мы говорим. Батарея там обычная, но получает энергию от солнечных панелей, которые преобразуют в электричество свет солнца.

В основе солнечной панели лежат фотоэлектрические ячейки, которые помещены внутрь общей рамы. Для создания таких ячеек чаще всего используется кремний, но возможно использование и других полупроводников.

Энергия вырабатывается в тот момент, когда на полупроводник попадают солнечные лучи и нагревают его. В результате этого внутри полупроводника высвобождаются электроны. Под действием электрического поля электроны начинают двигаться более упорядоченно, что и приводит к появлению электрического тока.

Примерно так выглядит солнечная панель.

Для того, чтобы получить электричество, надо подключить контакты к обеим сторонам фотоэлемента. В результате этого он начнет питать электричеством подключенный потребитель или просто заряжать батарею, которая потом будет отдавать электричество в сеть, когда это понадобится.

Основной упор на кремний делается из-за его кристаллических особенностей. Впрочем, в чистом виде кремний сам по себе является плохим проводником и для изменения свойств к нему делается крайне малое количество примесей, которые улучшают его проводимость. В основном в число примесей входит фосфор.

Как полупроводники вырабатывают электричество?

Полупроводник является материалом, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо их не хватает (p-тип). То есть полупроводник состоит из двух слоев с разной проводимостью.

В качестве катода в такой схеме используется n-слой. Анодом является p-слой. То есть электроны из первого слоя могут переходить во второй. Переход происходит за счет выбивания электронов фотонами света. Один фотон выбивает один электрон. После этого они, проходя через аккумулятор, попадают обратно в n-слой и все идет по кругу.

Когда энергия выработана, все начинается по кругу, а свет всегда горит.

В современных солнечных панелях в качестве полупроводника используется кремний, а начиналось все с селена. Селен показал крайне низкий КПД — не более одного процента — и ему сразу стали искать замену. Сейчас кремний в целом удовлетворяет требования промышленности, но есть у него и один существенный минус.

Обработка и очистка кремния для приведения его к тому виду, в котором его можно будет использовать, является достаточно затратной процедурой. Чтобы снизить стоимость производства, проводят эксперименты с его альтернативами — медью, индием, галием и кадмием.

Эффективность солнечных панелей

Есть у кремния еще один минус, который не так существенен, как стоимость, но с которым тоже надо бороться. Дело в том, что кремний очень сильно отражает свет и из-за этого элемент вырабатывает меньше электричества.

Даже повесив столько панелей, все равно надо обеспечивать их нормальную работу. В том числе бороться с отражением света.

Для того, чтобы уменьшить такие потери, фотоэлементы покрывают специальным антибликовым покрытием. Кроме такого слоя, надо использовать и защитный слой, который позволит элементу быть более долговечным и противостоять не только дождю и пыли, но даже падающим веткам небольшого размера. При установке на крыше дома это очень актуально.

Солнце -сила! Ее надо использовать!

Несмотря на общую удовлетворенность технологией и постоянную борьбу за улучшение показателей, современным солнечным панелям все равно есть куда стремиться. На данный момент массово производятся панели, которые перерабатывают до 20 процентов попадающего на них света. Но есть и более современные панели, которые пока ”доводятся до ума” — они могут перерабатывать до 40 процентов света.

А вообще, солнечная энергетика это круто! И помните, даже при таком «пАлящем» солнце система будет работать.

Как работают солнечные батареи, их актуальность в Украине в 2023 году

О том, что свет можно преобразовать в электричество, известно с середины XIX века, но по-настоящему перейти от теории к практике ученые смогли лишь спустя 100 лет, когда удалось создать первую кремниевую фотоэлектрическую панель.

Современные солнечные батареи работают как часы, обеспечивая зарядку гаджетов, освещая дома, подпитывая бытовую технику и транспортные средства.

Как устроена солнечная панель

Независимо от нюансов конструкции, фотоэлектрические модули состоят из солнечных элементов. С них и начнем рассмотрение устройства панелей.

Солнечные элементы (СЭ)

В основе СЭ — два слоя кремния или другого полупроводника — материала, который становится проводником тока при определенных условиях. Один слой отрицательный, второй — положительный. При попадании света на фотоэлементы происходит переток электронов, и вырабатывается электрический ток.

Большая часть производимых кремниевых СЭ — монокристаллические и поликристаллические. Первые наиболее эффективные, но стоят примерно на 10% дороже вторых. Монокристаллические с виду отличаются от поликристаллических срезанными уголками.

На панелях из моноэлементов на пересечениях квадратных ячеек видны небольшие ромбики. Фотомодули из полиэлементов состоят из прямоугольных ячеек, разделенных тонкими полосками.

Все время ведутся научные разработки по увеличению эффективности СЭ. Однако КПД промышленных образцов пока в районе 10-20%. К способам увеличения эффективности относится постепенный переход на более крупные размеры ячеек. Выглядит это следующим образом:

Год появления формата

Тут стоит отметить два момента:

• С увеличением размера СЭ требуется больше места для размещения панели с таким же количеством ячеек.
• Ячейки со сторонами 156 мм по-прежнему активно производят. Этот формат нельзя назвать безнадежно устаревшим.

Солнечные панели

Модуль кристаллических ячеек представляет собой сэндвич, в котором СЭ находятся в середине, а сверху и снизу расположены защитные слои:

• стекло,
• герметизирующая прослойка,
• солнечные элементы,
• герметизирующая прослойка,
• стекло либо защитная пленка.

Фотоэлектрические ячейки защищены с обеих сторон. Сверху они закрыты от дождя, также присутствует покрытие, уменьшающее отражение солнечных лучей. Общая герметизация нужна, чтобы предотвратить окисление внутренних элементов. Что касается принципа работы солнечной панели, то он тождественен порядку функционирования СЭ. Просто происходит сложение мощностей фотоэлементов.

Пластины для установки на крышу обычно корпусные, идут в алюминиевой окантовке, обеспечивающей жесткость конструкции. Батареи объединяют в массивы последовательным или параллельным способом.

От размеров панели зависит ее мощность:

Номинальная мощность, Вт

Панели именитых брендов делают на заводах с полной автоматизацией. Желательно при покупке ориентироваться именно на такую продукцию, поскольку мелкие производители не имеют средств на роботизацию, а ручной труд порой становится причиной брака.

Солнечные батареи: принцип работы панелей и дополнительного оборудования

Лучи света можно представить в виде потока крохотных частичек — фотонов. Солнечные батареи ловят их и преобразуют в поток электронов. Каждая ячейка генерирует несколько ватт электроэнергии. Этого недостаточно даже для питания обычной комнатной лампочки. Однако в солнечной панели несколько десятков СЭ, поэтому их общей мощности может хватить на освещение всего дома. А если на крыше установлено несколько панелей, то вполне реально смотреть телевизор, греть воду бойлером и т.д., пользуясь обычными розетками с напряжением 220 В. Таким образом, основной принцип работы автономной солнечной батареи заключается в объединении мощностей СЭ.

Автономность — это, конечно, прекрасно, но у фотоэлектрических панелей есть один очень важный минус — зависимость от погоды. Украина — не пустыня Сахара, у нас хватает пасмурных дней, поэтому солнечные батареи обычно устанавливают в качестве альтернативного источника энергии или там, где нельзя подключиться к централизованной электросети.

Еще один нюанс заключается в том, что электроэнергию мы расходуем в основном вечером. Люди приходят с работы, готовят еду, включают телевизоры и прочие электроприборы. А в это время солнце уже садится, или на улице темно. Получается, что имеет смысл днем запасаться солнечной энергией, а вечером доставать ее из заначки. Для этого устанавливают аккумуляторы. Если же домашнюю электростанцию установили в электрифицированном доме, то без них можно обойтись. Существует 3 основных разновидности станций: автономные, сетевые и гибридные.

Автономные станции

К этой категории относится не только оборудование для дач и лесных домиков, расположенных вдали от линий электропередач: существуют и мини-станции для туристов. Мощность моделей для переноски — 20-200 Вт, для перевозки на авто — 200-900 Вт.

Что касается автономной станции для жилого строения, то она включает:

• набор фотоэлектрических панелей;
• инвертор для получения переменного тока из постоянного;
• аккумуляторные батареи;
• контроллер заряда АКБ;
• кабели, переходники, крепеж и прочую периферию, необходимую для монтажа.

Мощность автономных электростанций — 1-10 кВт. Даже одно киловатта хватит для круглосуточной работы холодильника.

Сетевые станции

В этом случае дом запитан от централизованной электросети, поэтому можно пользоваться электроприборами в любую погоду, не задумываясь, сколько ватт им нужно.

Сетевая электростанция состоит из:

• солнечных батарей,
• сетевого инвертора,
• двунаправленного счетчика,
• периферии.

Двунаправленный счетчик дает возможность владельцу дома продавать летом излишки электроэнергии по зеленому тарифу. Такие станции обходятся дешевле, поскольку не нужно покупать и через несколько лет менять аккумуляторы.

Гибридные станции

Такой вариант самый функциональный, но требует значительных финансовых вложений. В комплект оборудования входят аккумуляторы, солнечные батареи и гибридный инвертор. Преимущества:

1. Впечатляющая экономия электроэнергии, поставляемой централизованным способом.
2. Возможность полностью автономной работы при отключении централизованного электричества.
3. Автоматическое переключение между режимами функционирования.
4. Возможность сливать часть электричества в центральную сеть при избыточной генерации.

При проектировании солнечной электростанции важно, чтобы оборудование соответствовало прогнозируемому энергопотреблению и было примерно одинаковой мощности.

Как работают солнечные батареи зимой

Фотоэлектрические панели наиболее эффективны летом, поскольку это время года радует длинными днями. Зимой солнечные батареи работают хуже, так как дни короче. Кроме того, фотоэлементы периодически покрываются снегом, может образовываться наледь. В таких условиях обеспечить дом чистой энергией вряд ли получится. Если нет возможности получать электричество от централизованной электросети, имеет смысл подумать о покупке генератора, работающего на бензине или солярке. Бензогенератор от погоды не зависит, разве что привести его в рабочее состояние в холод бывает сложнее.

Чистка солнечной батареи — занятие несложное. Потребуется щетка с ручкой длиной 2-4 метра. Убирать всю наледь необязательно. Если смахнете основную массу снега, оставив тонкие полоски, — ничего страшного: в солнечные день панели оттают до конца без вашей помощи.

Если дом подключен к электросети, то чистка панелей — сомнительное занятие, поскольку зима — не лучшее время для генерации электроэнергии. Возможно, в этот период имеет смысл ограничиться централизованно поставляемой энергией.

В заключение о том, как работают гибкие солнечные панели. Принцип функционирования у них такой же, как и у рамочных. Преимущества гибких батарей: малый вес и возможность крепления на криволинейные поверхности. Полоски фотоэлементов даже клеят на жалюзи. Недостаток — меньше мощность на единицу площади.

Можно купить гибкие панели размером с окно. Мастеровитые украинцы устанавливают их на балконах квартир. Эта тенденция актуальна для регионов, в которых ведутся боевые действия. Желательно клеить панели с внешней стороны, так больше электричества поступает в квартиру. Для обустройства квартирных электростанций закупают примерно такое же оборудование, как и для автономных, только меньшей мощности. Такие станции довольно слабые, но на подзарядку смартфонов и освещение их хватает.

Источник https://media.halvacard.ru/construction-and-repair/tipy-i-formy-solnechnykh-batarey/

Источник https://hi-news.ru/technology/kak-rabotayut-solnechnye-batarei.html

Источник https://www.moyo.ua/news/kak_rabotayut_solnechnye_batarei_ikh_aktualnost_v_ukraine_v_2022_godu.html