Как устроена солнечная батарея

Принцип работы солнечной батареи: как устроена и работает солнечная панель — Электромонтаж

Как устроена солнечная батарея

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии.

В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию.

Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца.

В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный.

Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Немного истории

Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века.

Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций.

Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.

Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной. Современные устройства напрямую преобразуют солнечные лучи в ток благодаря понятию фотоэлектрический эффект.

Современный принцип работы солнечной батареи был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы солнечной батареи на практике.

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.

Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.

Устройство

Конструкция солнечной батареи очень проста.

Основу конструкции устройства составляют:

  • корпус панели;
  • блоки преобразования;
  • аккумуляторы;
  • дополнительные устройства.

Корпус выполняет исключительно функцию скрепления конструкции, не имея больше никакой практической пользы.

Основными элементами являются блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний. Можно сказать, что состоят солнечные батареи, устройство и принцип работы которых всегда одинаковый, из каркаса и двух тонких слоев кремния, который может быть нанесен на поверхность, как монокристаллическим, так и поликристаллическим методом.

От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность. Если кремний наносится монокристаллическим способом, то эффективность батареи будет максимально высокой, как и стоимость.

Среди дополнительных устройств можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата.

Очень важными элементами солнечной назвать диоды. Данный элемент устанавливается на каждую четвертую часть блока преобразователей, защищая конструкцию от перегрева из-за избыточного напряжения. Если диоды не установлены, то есть большая вероятность, что после первого дождя система выйдет из строя.

Как подключается

Как было сказано раньше, устройство солнечной батареи достаточно сложное. Правильная схема солнечной батареи поможет добиться максимальной эффективности. Подключать блоки преобразователей необходимо при помощи параллельно-последовательного способа, что позволит получить оптимальную мощность и максимально эффективное напряжение в электрической сети.

Разновидности солнечных батарей

Существует несколько разновидностей фотоэлементов для солнечных батарей, которые отличаются между собой строением кристаллов кремния.

Выделяют три вида фотоэлементов:

  • поликристаллические;
  • монокристаллические;
  • аморфные.

Первый вид панелей является более дешевым, но менее эффективным, поскольку, если кремний нанесен поликристаллическим способом, то электроны не могут двигаться прямолинейно.

Монокристаллические фотоэлементы отличаются максимальным КПД, который достигает 25 %. Стоимость таких батарей выше, но для получения 1 киловатта нужна существенно меньшая площадь фотоэлементов, чем при использовании поликристаллических панелей.

Из аморфного кремния изготавливают гибкие фотоэлементы, но их КПД самый низкий и составляет 4-6 %.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества солнечных батарей:

  • солнечная энергия абсолютно бесплатная;
  • позволяют получать экологически чистую электроэнергию;
  • быстро окупаются;
  • простая установка и принцип работы.

Недостатки:

  • большая стоимость;
  • для удовлетворения потребностей небольшой семьи в электроэнергии нужна достаточно большая площадь фотоэлементов;
  • эффективность существенно падает в облачную погоду.

Как добиться максимальной эффективности

При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час.

В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.

Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.

Каждый день солнце светит в среднем по 9 часов, если брать среднегодовой показатель. За один день квадратный метр поверхности преобразователя способен выработать 1 киловатт электроэнергии. Если за сутки жильцами дома израсходуется приблизительно 20 киловатт электроэнергии, то минимальная площадь солнечных панелей должна составлять приблизительно 40 квадратных метров.

Однако, такой показатель потребления электроэнергии на практике встречается редко. Как правило, жильцы израсходуют до 10 кВТ в сутки.

Если говорить о том, работают ли солнечные батареи зимой, то стоит помнить, что в данную пору года сильно снижается длительность светового дня, но, если обеспечить систему мощными аккумуляторами, то получаемой за день энергии должно быть достаточно с учетом наличия резервного аккумулятора.

При подборе солнечной батареи очень важно обращать внимание на емкость аккумуляторов. Если нужны солнечные батареи работающие ночью, то емкость резервного аккумулятора играет ключевую роль. Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке.

Несмотря на тот факт, что стоимость установки солнечных батарей может превысить 1 миллион рублей, затраты окупятся уже в течении нескольких лет, поскольку энергия солнца абсолютно бесплатна.

Как устроена солнечная батарея, расскажет наше видео.

Источник: https://elektroservis-rostov.ru/svoimi-rukami/printsip-raboty-solnechnoj-batarei-kak-ustroena-i-rabotaet-solnechnaya-panel.html

Солнечные батареи: как это работает

Как устроена солнечная батарея

Солнечные батареи уже сейчас используются для питания самой разнообразной техники: от мобильных гаджетов до электромобилей. Как устроены, какими бывают и на что способны современные солнечные батареи, вы узнаете из этой статьи.

История создания

Так исторически сложилось, что солнечные батареи – это уже вторая попытка человечества обуздать безграничную энергию Солнца и заставить ее работать себе на благо. Первыми появились солнечные коллекторы (солнечные термальные электростанции), в которых электричество вырабатывает нагретая до температуры кипения под сконцентрированными солнечными лучами вода.

Солнечная термальная электростанция в испанском городе Севилья

Солнечные же батареи производят непосредственно электричество, что намного эффективнее. При прямой трансформации теряется значительно меньше энергии, чем при многоступенчатой, как у коллекторов (концентрация солнечных лучей, нагрев воды и выделение пара, вращение паровой турбины и только в конце выработка электричества генератором).

Современные солнечные батареи состоят из цепи фотоэлементов – полупроводниковых устройств, преобразующих солнечную энергию напрямую в электрический ток. Процесс преобразования энергии солнца в электрической ток называется фотоэлектрическим эффектом.

Данное явление открыл французский физик Александр Эдмон Беккерель в середине XIX века. Первый же действующий фотоэлемент спустя полвека создал русский ученый Александр Столетов. А уже в двадцатом столетии фотоэлектрический эффект количественно описал не требующий представления Альберт Эйнштейн.

Беккерель, Столетов и Эйнштейн – именно этому «трио» ученых мы обязаны созданием солнечных батарей

Существующие разновидности

Классифицируются солнечные батареи по мощности вырабатываемого электричества, которая зависит от площади панели и ее конструкции. Мощность потока солнечных лучей на экваторе достигает 1 кВт, тогда как в наших краях в облачную погоду она может опускаться ниже 100 Вт. В качестве примера возьмем средний показатель (500 Вт) и в дальнейших расчетах будем отталкиваться от него.

Наручные часы Citizen Eco-Drive с солнечной батареей вместо циферблата

Самым низким коэффициентом фотоэлектрического преобразования обладают аморфные, фотохимические и органические фотоэлементы. У первых двух типов он равен примерно 10 процентам, а у последнего – всего лишь 5 процентам. Это означает, что при мощности солнечного потока в 500 Вт солнечная панель площадью один квадратный метр будет вырабатывать соответственно 50 и 25 Вт электроэнергии.

Монтаж солнечных панелей на крыше жилого дома

В противовес вышеупомянутым типам фотоэлементов выступают солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников. Коэффициент фотоэлектрического преобразования на уровне 20%, а при благоприятных условиях — и 25% для них привычное дело. Как результат, мощность метровой солнечной панели может достигать 125 Вт.

Гоночный электромобиль Honda Dream на солнечных батареях появился еще в 1996 г.

Конкурировать по мощности с кремниевыми солнечными батареями способны разве что решения на основе арсенида галлия. Используя это соединение, инженеры научились создавать многослойные фотоэлементы с КФП свыше 30% (до 150 Вт электричества с квадратного метра).

Портативная солнечная панель Solarland мощностью 130 Вт и стоимостью $860

Если же говорить о площади солнечных батарей, то существуют как миниатюрные «пластинки» мощностью до 10 Вт (для частой транспортировки), так и широченные «листы» на 200 Вт и более (сугубо для стационарного использования).

Беспилотный самолет, разработанный NASA Ames Research Center, способен на солнечной энергии пролететь от восточного побережья США до западного

На работу солнечных батарей может негативно влиять ряд факторов. К примеру, с ростом температуры снижается КФП фотоэлементов. Это при том, что солнечные батареи как раз-то и устанавливают в жарких солнечных странах. Получается своеобразная палка о двух концах.

Солнечную батарею Voltaic можно носить у себя за спиной

А если затемнить часть солнечной панели, то неактивные фотоэлементы не только прекращают вырабатывать электричество, но и становятся дополнительной, зловредной нагрузкой.

«Солнечное дерево – культурный и одновременно научный символ австрийского городка Глайсдорф

Крупнейшие производители

Источник: https://itc.ua/articles/solnechnyie-batarei-kak-eto-rabotaet/

Сетевые солнечные электростанции любой мощности

Как устроена солнечная батарея

Сетевая солнечная электростанция состоит из солнечных батарей и сетевого инвертора, который передает солнечную электроэнергию в существующую централизованную сеть 220 или 380 В. Сетевая солнечная электростанция — это самый экологически чистый способ экономии электроэнергии.

Установив солнечную электростанцию вы начнете существенно экономить сразу, а в дальнейшем (при введении зеленого тарифа) — хорошо зарабатывать.

Преимущества и принципы работы сетевых солнечных электростанций:

  • Отсутствие аккумуляторов в системе снижает стоимость комплекса почти на 50%.
  • Аккумуляторы требуют постоянного контроля работы, регулярного обслуживания и периодической замены.
  • Издержки на содержание сетевой солнечной электростанции сводятся к нулю.
  • Гарантированная мощность солнечных модулей в течении 25 лет – 80%.

Воспользуйтесь нашим калькулятором для расчета

необходимого количества солнечных батарей для вашего проекта.

Калькулятор солнечных батарей

Работа солнечной сетевой электростанции устроена следующим образом:

Солнечные батареи отдают выработанную энергию сетевому инвертору для преобразования постоянного тока в переменный, с последующей передачей электроэнергии потребителю и в сеть. Инверторы применяемые в сетевых солнечных электростанциях SOFAR SOLAR имеют КПД порядка 98% с МРР трекером на входе, что дополнительно существенно повышает энерговыработку.

Излишек выработанной электроэнергии может быть продан энергосбытовой компании по «зеленому» тарифу.

Даже без «зеленых» тарифов срок окупаемости у сетевых солнечных электростанций варьируется от 1 года до 5 лет, многое зависит от стоимости кВт*ч, по которому заказчик покупает электроэнергию у государства и региона установки, зная эти данные можно определить срок окупаемости установленной системы, после которого Вы будете только зарабатывать на ней.

Присоединяйтесь к тысячам домовладельцев, которые производят электрическую энергию с помощью солнечных батарей. Установив сетевую электростанцию можно сразу начать существенно экономить на оплате счетов за электричество, а в дальнейшем, когда система окупится, и хорошо зарабатывать.

Ограничение генерируемой от солнечных батарей мощности сетевым инвертором Sofar:

Применяемые в сетевых солнечных электростанциях сетевые инверторы Sofar Solar имеют встроенную уникальную функцию — возможность ограничения генерируемой мощности (делимитер) при появлении излишков солнечной электроэнергии, которые не потребляются нагрузками в доме (производстве).

Трёхфазные инверторы также имеют такую возможность, но для реализации ее необходимо внешнее устройство — контроллер ARPC (Anti-reverse power controller).

Для включения этой функции необходимо подключить датчик тока (при покупке солнечного инвертора Sofar в компании Реалсолар вы получаете датчик тока в подарок) сразу после счетчика учета потребляемой электроэнергии.

Датчики тока (если инвертор и сеть однофазная, то датчик будет один) отслеживают потребляемую вашей нагрузкой мощность и при генерации более чем потребляет нагрузка — дает команду сетевому инвертору снизить генерацию от солнечных батарей. Тем самым сетевой инвертор поддерживает примерно нулевое потребление от сети, если мощности солнечных батарей в данный момент хватает для питания потребителей энергии.

Эту уникальную функцию Sofar Solar разработал специально для России, т.к. нашим счетчикам без разницы куда течет энергия и они считаю всю энергию в плюс. Без функции ограничения потребителю приходится платить за отданные в сеть излишки электроэнергии.

Источник: https://realsolar.ru/solar-station/ses-setevie/

Все про солнечную электростанцию для дома: подключение, реальная выработка, подключение, особенности

В 2017 году я установил на участке одну солнечную батарею мощностью 260Вт для выработки электроэнергии. В июне выработка панели составила 34кВт электроэнергии, что в 4.5 раза превысило её нормативную мощность.

Далее я расскажу о том, как работает солнечная электростанция, из каких элементов состоит, кому подойдет и как её подключить. Кроме того, поделюсь реальной статистикой выработки одной панели.

Кому подойдет домашняя солнечная электростанция

  1. Тем, у кого на участке нет электричества. Солнечные батареи смогут автономно обеспечивать объект электроэнергией. В качестве альтернативы также можно рассматривать ветряк (для которого должна быть соответствующая роза ветров) или дизельный генератор (который не очень удобен в эксплуатации и неэкономичен).
  2. Также солнечную станцию можно рассматривать как инвестицию, чтобы на фоне постоянно растущих тарифов в будущем меньше платить за электроэнергию. К тому же срок службы батарей очень большой, а солнце светит всегда.
  3. И последний вариант — всем, кто хочет заработать.

    В Украине существует закон о зеленом тарифе, согласно которому государство выкупает выработанную электроэнергию с помощью альтернативных источников энергии по особой цене.

Как устроена солнечная батарея

Солнечная батарея (или ФЭМ – фотоэлектрический модуль) работает за счет кремниевых элементов, которые преобразовывают световую энергию в электрическую (в отличие от солнечных коллекторов, которые работают за счет солнечного тепла).

Сзади у панели есть выход двух кабелей, которые подключатся на инвертор или аккумулятор, в зависимости от схемы использования (об этом далее подробнее).

Как подключить, если на участке нет электричества

Если участок не подключен к сети, то главная задача — накапливать электроэнергию, чтобы использовать её в будущем по мере необходимости.

Какое оборудование понадобится:

  • Солнечные батареи.
  • Аккумулятор для накопления заряда.
  • Контролер заряда (чтобы контролировать ток заряда аккумулятора).
  • Преобразователь в 220В. По умолчанию солнечная панель выдает 12В, 24В, тогда как большинство электроприборов подключаются к 220В. Если вы используете приборы, работающие от 12В, то преобразователь не понадобится.
  • Оборудование для фиксации и крепежа самой батареи.

Самый простой вариант, «своими руками»

Самый примитивный, но рабочий вариант «для дачи»: солнечная батарея + аккумулятор, которые соединяются между собой клеммами. В таком виде станция уже готова к эксплуатации и её можно даже не ставить на крышу, а просто установить на землю. Электроэнергия будет накапливаться на аккумуляторе, от которого можно зарядить телефон, подключить освещение и т.д.

Такую станцию очень легко собрать своими руками. Достаточно просто купить аккумулятор (подойдет даже обычный автомобильный), солнечная батарея, провода и клеммы. Если вы приезжаете на дачу только по выходным, то станция может быть переносной, так как легко разбирается и прячется (или увозится с собой).

Более сложная реализация

Схема для повседневной эксплуатации и разводкой по розеткам. Солнечные батареи устанавливают на крышу (или отдельную металлическую конструкцию), а кабель от них прокладывают к аккумулятору, от которого электричество через преобразователь поступает на розетки.

По мере необходимости станцию легко масштабировать, подключая дополнительные батареи и аккумуляторы.

Как подключить, если на участке есть электричество

Если участок подключен к сети, то установка солнечной электростанции сделает дом более энергонезависимым, позволит сократить затраты на электроэнергию и даже заработать на этом благодаря зеленому тарифу.

В этой схеме подключения отсутствует аккумулятор, так как не нужно накапливать электроэнергию (но если вы хотите иметь резервный источник питания на случай выключения света, то аккумулятор необходим).

Для подключения такой станции нужна только солнечная батарея (или несколько), которая через сетевой инвертор подключается в розетку. В таком виде станция уже готова к работе. Батарея вырабатывает электричество и вы сразу же его потребляете для внутренних нужд: работы холодильника, освещения, чайника и т.п.

Например, выработка станции в сутки — 1кВт электроэнергии, а здание суммарно потребляет 5кВт. По факту из сети вы берёте лишь 4кВт. Но если станция вырабатывает в сутки 5кВт, а вы реально потребляете только 2кВт, то остаток (3кВт) сгорает. В этом случае можно подключить зеленый тариф и продавать разницу государству по более высокой цене, либо же поставить аккумулятор и накапливать избыток на него.

Сейчас существуют компании которые подключают зеленый тариф «под ключ». Начиная от подбора и установки станции, до заключения договора с ОБЛЭНЕРГО.

Реальная выработка солнечной электростанции для дома

Выработка зависит от мощности и угла наклона панелей, интенсивности солнца и продолжительности светового дня.

Между собой батареи отличаются площадью, что отражается на их мощности. Это может быть 10Вт, 100Вт, 150Вт, 260Вт и так далее. Однако реальная выработка панели обычно выше её номинальной мощности, так как необходимо учитывать коэффициент интенсивности солнца. В южных регионах солнце светит сильнее и дольше, а в северных слабее и меньше, поэтому одна и та же панель вырабатывает разное количество электроэнергии.

Пример из практики

Это график выработки электроэнергии одной панелью мощностью 260Вт за июнь 2018 года. Суммарная выработка станции за месяц — 34,89 кВт. Из расчета, что номинальная месячная мощность батареи — 7,8кВт (260Вт Х 30 дней), её фактическая мощность оказалась в 4.5 раза выше (поправочный коэффициент). Летом он больше, зимой – меньше или вообще отсутствует.

Из графика видно, что выработка непостоянна и присутствуют резкие спады – это пасмурные дни, когда световой день короче, а солнечная активность очень слабая. Худшая производительность была зафиксирована 17.06 — около 0.4кВт, а максимальная 25.06 — около 1.4кВт.

А вот так выглядит выработка солнечной батареи по часам в течение дня:

Выработка начинается ближе к 9 утра, достигает пика к 13:00, затем постепенно снижается и прекращается около 19:00. В течение дня есть небольшие провалы — когда солнце было закрыто облаками.
Примерно с 13:00 до 15:00 выработка электроэнергии была нестабильна из-за облачности.

Но и это не сильно сказалось на итоговой производительности станции — 1.32кВт.
В течение дня было множество провалов, что и отразилось на итоговой выработке станции — 0.98кВт.

    
А это пасмурный дождливый день, когда солнечная активность очень слабая и выработка в течение дня составила 0.45кВт.

Из этого можно сделать вывод, что целиком полагаться на солнечную электроэнергию сложно. Производительность станции сильно зависит от интенсивности солнца и даже летом она может быть непостоянна из-за пасмурной погоды.

Угол наклона солнечной батареи

Панель вырабатывает максимум электроэнергии тогда, когда солнечные лучи падают на неё под прямым углом. В этом случае лучи практически не отражаются и потери энергии минимальны. Но так как солнце в течения дня постоянно движется и меняет высоту, то поддерживать постоянным угол падения в 90° сложно.

Для этого существуют специальные механизмы, которые поворачивают панель вслед за солнцем в течение дня и изменяют угол её наклона, что дает максимально возможную выработку электроэнергии. Однако для домашней станции они нецелесообразным: при малой мощности станции дополнительные 5-15% электричества не покроют затраты на их установку.

Поэтому рекомендуется универсальное положение солнечной панели: для северного полушария направление на юг (которое охватывает максимальную траекторию движения солнца) и угол наклона в 30 ° на лето и 60 ° на зиму. Либо же средний вариант в 45 °, если панель работает круглый год.

Как рассчитать мощность электростанции на солнечных батареях

Оттолкнуться нужно от того, сколько электроэнергии вам нужно для нормального функционирования здания. Самый простой способ — выписать все эл. приборы, которые вы планируете использовать, время их работы и потребляемую мощность.

Пример:

  • Холодильник: 100Вт – 24ч – 2400Вт
  • Освещение: 100Вт – 5ч – 500Вт
  • Чайник: 15мин – 1,5кВт – 0,03кВт
  • Стиральная машина:
  • Ноутбук:
  • Итого: 3кВт

3кВт — это мощность, которую должна производить солнечная электростанция для нормальной жизнедеятельности здания. Т.е. понадобится 12 панелей мощностью по 260Вт. На практике их производительность будет выше (при коэффициенте солнечной активности 4.

5 суточная выработка станции составит 14кВт), однако мы отталкиваемся от самого пессимистичного сценария, при котором каждый день — пасмурный.

Также учитывайте: если вы не подключены к зеленому тарифу или не запасаете энергию на аккумулятор, то избыток будет сгорать.

Если вы устанавливаете солнечную электростанцию для заработка на зеленом тарифе,  то начать можно с любой мощности и постепенно её наращивать.

Заключение

Солнечные электростанции для дома решают две основные задачи:

  • могут обеспечивать электроэнергией участок, который не подключен к сети. В самом простом варианте вам понадобится только панель, аккумулятор и контролер заряда, которые уже способны генерировать электроэнергию. Также возможна более сложная реализация, когда станция генерирует электричество и через инвертор передает его в розетки. В этой схеме дополнительно необходим преобразователь из 12В в 220В.
  • служить инвестицией и источником дохода. В Украине существует  закон о зеленом тарифе, согласно которому государство готово покупать у населения электроэнергию, выработанную на альтернативных источников энергии, по более высокому тарифу. Другими словами: каждый может установить в доме солнечную электростанцию и продавать электроэнергию государству.

Производительность станции зависит от мощности панели и коэффициента интенсивности солнца. Для южных регионов, где солнце светит долго и интенсивно, выработка панелей может быть в 4.5 — 5 раз больше номинала. Зимой коэффициент практически отсутствует.

При пасмурных днях даже летом выработка сильно падает. Поэтому целиком полагаться на солнечную энергию не стоит (особенно если у вас автономное энергообеспечение объекта) и не лишним будет иметь резервный источник, например — дизельный генератор.

Все про солнечную электростанцию для дома: подключение, реальная выработка, подключение, особенности

Источник: http://term.od.ua/blog/solnechnaya-elektrostanciya-dlya-doma/

IT News

Дата Категория: Физика

Солнечный свет не только делает возможной жизнь на Земле, он может со временем также стать и поставщиком большого количества электроэнергии, без которой немыслима современная цивилизация. Использование солнечного света может быть не прямым, а в виде подвода энергии к турбинам.

В этом случае комплект зеркал фокусирует солнечную энергию на теплообменник, который испаряет воду или любую другую жидкость, вырабатывая пар для привода обычной турбины, соединенной с генератором. Однако возможно и прямое преобразование солнечного света в электроэнергию, например, при помощи кремниевых солнечных элементов.

Типичный солнечный элемент состоит из шести слоев. Основание (база) одновременно выполняет роль отрицательного полюса элемента; отражающий слой удерживает свет внутри рабочей части элемента, увеличивая его электрическую эффективность; два слоя обогащенного кремния (N-типа и Р-типа) образуют ядро солнечного элемента.

Кремний N-типа имеет свободные отрицательные заряды, а кремний Р-типа — несвязанные положительные заряды. При отсутствии освещения эти заряды скапливаются в зоне контакта слоев; когда на элемент падает солнечный свет, заряды расходятся в стороны. Такое перемещение зарядов создает постоянный ток, если солнечный элемент является частью замкнутой цепи.

Сверху кремний защищен прозрачной пленкой, на которой размещен металлический контакт положительного полюса.

Как работает солнечный элемент

Солнечный свет, падающий на элемент солнечной батареи, разделяет положительные и отрицательные заряды, которые аккумулируются в зоне контакта между пластинками кремния Р-типа и N-типа. Это разделение создает напряжение, под действием которого при включении элемента в замкнутую цепь в ней начинает течь электрический ток

Секционные солнечные батареи

Солнечные батареи (рисунок над текстом) вырабатывают постоянный ток, который может быть преобразован на электростанции в переменный. Избыточная электроэнергия, выработанная солнечными элементами, может быть запасена в аккумуляторных батареях для последующего использования.

Солнечные батареи в космосе

Для большинства космических спутников солнечные батареи являются основным источником энергии. Эти батареи (рисунок справа) отличаются от тех, что используются на Земле (рисунок слева). Если батареи, установленные вблизи земной поверхности, нуждаются в защите от дождя и пыли, то те, что функционируют в космосе, должны быть защищены от жесткого космического излучения.

Солнечная теплоэлектростанция

Солнечный свет может снабжать теплотой паротурбинную установку, приводящую во вращение генератор. Комплект зеркал фокусирует солнечный свет на башню-концентратор. Результирующий световой пучок настолько интенсивен, что может превращать натрий в пар. Пары натрия используются для превращения воды в пар, который затем приводит во вращение турбину.

Источник: http://information-technology.ru/sci-pop-articles/23-physics/251-kak-rabotaet-solnechnaya-batareya

Подключение солнечных батарей к сети в России

Несмотря на то, что солнечные батареи в России становятся все более популярными, их применение в частном секторе сдерживается отсутствием нормативной и технической базы для подключения солнечных батарей к местным энергосетям.

На настоящий момент договор присоединения к электрическим сетям не предусматривает для частного лица возможности генерации электроэнергии в сеть. Разрешено только потребление. Более того, даже для организация и индивидуальных предпринимателей процедура и условия подключения к сетям генераторов электрической энергии являются такими, что оформление и поставка энергии от солнечных батарей в сеть становится бессмысленной.

Формально подключение солнечных батарей к сетям не запрещено. Необходимо пройти процедуру технологического подключения к местным энергосетям и заключить договор о поставке электроэнергии в сеть. Стоимость технологического подключения к сетям составляет десятки или даже сотни тысяч рублей.

Покупать электроэнергию от генератора сети будут, скорее всего, по оптовым ценам рынка электроэнергии, которые меньше розничной цены на электроэнергию примерно в 3 раза. Но продажа электроэнергии от солнечных батарей в сеть на таких условиях бессмысленна.

Во всех странах, где мы наблюдаем развитие солнечной энергетики, действуют различные механизмы, стимулирующие применение фотоэлектрических генераторов.

К числу основных таких мер и механизмов относятся:

  1. Обязательное подключение солнечных и ветровых электростанций к сетям (т.е. сети обязаны принимать от таких электростанций энергию)
  2. Компенсация стоимости технологического подсоединения — сети или подключают бесплатно, или стоимость этого подключения компенсируется из специальных фондов поддержки
  3. Специальные повышенные закупочные тарифы на электроэнергию от солнечных батареи и ветрогенераторов.

    Такой механизм популярен в Европе, он оказался наиболее эффективным — мы видим взрывной рост количества установленных солнечных и ветровых генераторов в странах, где этот механизм был принят — Германия, Испания, Италия, Великобритания и т.д.

  4. Net metering — принятие генерируемой солнечными батареями электроэнергии в зачет потребленной. Счетчик электроэнергии может быть реверсивным или двунаправленным.

    Обычно баланс считается за год, количество отданной электроэнергии в сеть вычитается из количества потребленной от сетей и заявленной к оплате электроэнергии. Таким образом, фактически сети выкупают обратно часть электроэнергии по розничной цене. Такой механизм принять в США и некоторых других странах. Он также показывает свою эффективность.

  5. Различные «зеленые сертификаты», субсидии, государственные программы — мы их здесь не рассматриваем, так как это не рыночные механизмы
  6. Налоговые льготы и т.п. — они также действуют как дополнительные меры поддержки, но для России их введение маловероятно.

В России для частных лиц не действует ни один из перечисленных выше механизмов поддержки. Солнечные батареи устанавливают в России не «благодаря», а «вопреки».

Немалым стимулом служит ненадежность электроснабжения от местных энергосетей, изношенность электрических сетей низкого напряжения, низкое качество электроэнергии (напряжение в розетке может падать до 120-140В, а при перекосе фаз может и подниматься более 260В), постоянный рост цены на электроэнергию.

В последние годы надежность и доступность электроэнергии от местных энергосетей понемногу растет, что снизило заинтересованность в массовой установке своих источников электроэнергии в доме — солнечных батарей, ветряков и т.п. Но инициативы федеральных и местных властей по введению социальных норм на потребление электроэнергии вызвали взрывной рост интереса населения к автономным и местным источникам электроэнергии.

Особенно интересны теперь становятся солнечные батареи для тех, у кого для нагрева воды или отопления/охлаждения используется электричество (электрические водонагреватели, котлы, тепловые насосы, кондиционеры и т.п.) .

В таких домах социальная норма очень быстро расходуется, и приходится платить в основном по повышенным тарифам сверх социальной нормы.

Здесь применение солнечных батарей, соединенных с сетью, является экономически выгодным (не говоря уже о приобщении к экологически чистой энергетике и заботе о защите окружающей среды)

Какие есть способы предотвращения отдачи излишков солнечной электроэнергии в сеть?

Как можно избежать «накрутки» счетчика при работе солнечных батарей? Существуют несколько путей и мы их перечислим ниже.

  1. Не подключать систему с солнечными батареями к сети. Фактически, это означает установку автономной системы с аккумуляторами, в которой аккумуляторы будут заряжаться и разряжаться каждый день. Глубина разряда может быть существенной. Циклические режимы работы аккумуляторов с периодическими или постоянными глубокими разрядами резко сокращают срок службы аккумуляторов. Полностью отключать от сети даже часть нагрузки при наличии надежного централизованного электроснабжения неразумно. Такой вариант годится только в качестве эксперимента.
  2. Подключить систему к сети через гибридный батарейный инвертор, который может давать приоритет для солнечных батарей при питании нагрузки. Этот вариант возможен и работоспособен. До недавнего времени это был единственный способ при наличии сети обеспечить использование энергии от солнечных батарей не только во время аварий на сетях, но и тогда, когда сеть есть. Недостаток данной организации электроснабжения — необходимость наличия в системе аккумуляторов, гибридного батарейного инвертора, контроллера заряда для солнечных батарей. Достоинство — вы получаете резервную систему электроснабжения, которая может снабжать вашу нагрузку при авариях в энергосетях.
    Нужно учитывать, что не все гибридные инверторы могут запрещать передачу излишков электроэнергии от солнечных батарей в сеть. Если такой функции запрета нет, то энергия может проходить через счетчик обратно в сети.
  3. Использовать сетевой фотоэлектрический инвертор и двунаправленные счетчики электроэнергии. Этот вариант наиболее оптимальный и надежный. Электроэнергия от солнечных батарей преобразовывается в переменный ток с максимальной эффективностью и потребляется в момент генерации. Нет потерь на заряд-разряд аккумуляторов. Такой метод применяется там, где за отданную в сеть электроэнергию платят по повышенному тарифу или учитывают в общем балансе потребления (т.е. фактически принимают обратно по розничной цене за кВт*ч).  Счетчики могут быть многотарифными.
    До появления WATTrouter это был единственный способ не «попасть на деньги» при отдаче излишков электроэнергии в российские электросети. Двунаправленные счетчики учитывают отданную электроэнергию в отдельном регистре и не прибавляют ее к потребленной. Фактически, излишки электроэнергии дарятся местным электрическим сетям. Однако и в этом случае может возникнуть проблема — если на группу домовладений установлен общий однонаправленный  счетчик электроэнергии, нужно, чтобы соседи потебляли излишки, генерируемые солнечными батареями. В противном случае показания общего счетчика не совпадут с суммой показаний отдельных домовых счетчиков.
  4. Использовать двунаправленный индукционный счетчик, который может крутиться в обратную сторону, если идет отдача электроэнергии в сеть. На настоящее время разрешен к применению в России только один такой счетчик — СО-505. Но и он уже снят с производства и в новых или модернизируемых домах/квартирах его установить уже невозможно.
  5. Использовать систему с отдачей электроэнергии в сеть совместно с WATTrouter. Излишки электроэнергии могут поступать как от гибридных инверторов с разрешенной отдачей в сеть, так и от фотоэлектрических инверторов. В отличие от всех вышеперечисленных случаев, электроэнергия от солнечных батарей используется полностью и с максимальной эффективностью, отдачи электроэнергии в сеть нет. Это является наилучшим вариантом организации электроснабжения с солнечными батареями. Можно использовать практически любые счетчики.
  6. Последние пару лет появилась еще одна возможность не отдавать энергию от солнечных батарей в сеть — это сетевые фотоэлектрические инверторы с датчиком тока, устанавливаемым сразу после счетчика и регулировкой генерации в зависимости от наличия излишков. Такие сетевые инверторы имеют возможность подключения отдельного блока, отслеживающего излишки, и дающего команду инвертору снизить генерацию. Есть несколько вариантов решения этой задачи. Например, немецкие инверторы Steca требуют кроме специального инвертора и устройства слежения за излишками еще и специальный счетчик. Инверторы SMA также требуют специальную систему мониторинга. При этом немецкие инверторы не могут полностью ограничить отдачу в сеть, т.к. у них нет такой задачи, и время регулирования у них довольно большое.
    Есть китайские инверторы — как дешевые, так и более дорогие (Sofarsolar, Growatt)
    Это решение, хотя и предотвращает отдачу энергии в сеть, имеет большой недостаток — неполное использование энергии от солнечных батарей. При наличии излишка генерации снижается выработка от солнечных батарей. Да и стоит комплект сетевого инвертора и  дополнительного контроллера дороже, чем просто сетевой инвертор.

Использование контроллера WATTRouter  позволяет максимально использовать энергию солнца и направлять излишки по умному алгоритму на нагрев и другие второстепенные нагрузки.

Источник: http://www.wattrouter.ru/infa/pv_grid_connection_in_russia.htm

Почему первая в мире дорога из солнечных батарей — это полный провал?

По расчетам ученых, около 0,5% всей поверхности нашей планеты покрыто автомобильными дорогами.

Эта довольно большая площадь используется только для движения автомобилей, но почему бы людям не использовать ее для других целей? Например, дороги можно покрыть солнечными панелями, вырабатывающими электроэнергию для питания уличных фонарей.

Именно такая мысль несколько лет назад пришла в голову представителям французской компании Colas. В 2016 году первая в мире дорога из солнечных батарей наконец-то была построена, но теперь ее хотят снести. Дело в том, что компания допустила множество глупых ошибок.

Солнечная дорога Wattway протяженностью 1,6 километров была проложена во французском регионе Нормандии. Около 3000 квадратных метров этого пути было покрыто солнечными панелями, которые, по расчетам создателей, могли бы питать энергией фонарные столбы в городе Турувр-о-Перш. На строительство дороги было потрачено около 5,2 миллионов долларов, но окупить потраченную сумму компании в конечном итоге не удалось.

Самая длинная дорога из солнечных батарей

Сначала дорога нравилась всем, даже французскому министру энергетики. Идея ему понравилась настолько, что однажды он объявил, что хочет видеть солнечные батареи на каждом 1000 километре всех дорог Франции.

Но, в дальнейшем оказалось, что дорога из солнечных батарей вырабатывает не так много энергии, чем предполагалось. Создатели хотели, чтобы он вырабатывал 150 000 кВт/ч электричества в год, но к июлю 2019 года они заметили, что дорога вырабатывает только 40 000 кВт/ч.

Эффективность батарей постоянно снижалась и виной этому оказалась, грубо говоря, глупость создателей.

Почему снесли дорогу из солнечных батарей?

Компания совершила большую ошибку в самом начале строительства дороги. Она была построена на территории города Кан, который является одним из самых пасмурных во Франции. По расчетам ученых, в среднем жители этого города видят солнце только 44 дня в году. Так о какой солнечной энергии может идти речь, если большую часть времени небо затянуто плотным слоем облаков?

Одна их солнечных панелей дороги Wattway

Также при строительстве дороги в 2016 году, компания Colas покрыла поверхность смолой. По ее мнению, такое покрытие должно было защитить батареи от возникновения трещин при движении автомобилей. Возможно, смола действительно выдерживала давление колес легковых автомобилей, но компания совершенно не подумала о том, что по этому маршруту могут ездить грузовики. В конечном итоге большая часть солнечных батарей покрылись трещинами, поэтому компании пришлось разобрать 90 метров дороги.

Трещины на солнечных панелях

Вдобавок ко всему этому, компания забыла про то, что со временем дорога может покрываться мусором и листьями. Только спустя некоторое время они осознали, что покрытые грязью солнечные панели становятся практически бесполезными. Сколько энергии могли вырабатывать грязные и потресканные панели неизвестно, но его вряд ли хватало для питания даже пары-тройки фонарей. Тогда зачем нужна такая дорога?

Читайте обязательно: Солнечный асфальт: путь в будущее или дорога в никуда?

Получается, что она попросту не нужна и власти Франции это наконец-то осознали. Проект уже официально признан провальным и в скором времени солнечная дорога будет снесена. Вместо нее будет проложена обычная асфальтированная дорога.

Тем временем солнечные дороги есть в Нидерландах и в Китае, но их судьба пока остается неизвестной.

А как вы думаете — могут ли солнечные дороги нести какую-то пользу? Или все они обречены на провал? Давайте обсуждать это в комментариях, или в нашем Telegram-чате.

Источник: https://hi-news.ru/technology/pochemu-pervaya-v-mire-doroga-iz-solnechnyx-batarej-eto-polnyj-proval.html

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

О том, что с помощью солнечных батарей можно получать энергию и использовать ее в бытовых нуждах, известно не каждому. Такой способ получения электроэнергии не является особо распространенным, но с каждым годом набирает популярность.

При наличии большого солнечного массива можно обеспечить током не только частный дом, но и промышленный объект.

Принцип работы солнечной батареи довольно прост, поэтому нет никаких преград, чтобы воспользоваться такой возможностью получения экологичной энергии для личных целей.

Что такое солнечная батарея

Солнечными батареями можно обеспечить полное функционирование дома или другого объекта без привлечения дополнительного источника электроэнергии. Они считаются не только экологически чистыми, но и самыми эффективными при выработке энергии. Суть данного устройства заключается в специальных модулях-фотоэлементах, которые захватывают солнечную энергию и при помощи полупроводниковых устройств преобразовывают ее в ток.

Одна батарея содержит 36 элементов и представлена в виде прямоугольника размером с шифер. Есть, конечно, и другие вариации, но такой пример является наиболее популярным. Все модули покрываются пленкой или стеклом и между собой соединены, благодаря чему через эти дорожки ток поступает в инвертор, который на выходе дает нам привычную электроэнергию, которую можно использовать в любых целях.

Устройство батареи

Сегодня нет проблем, чтобы выбрать солнечную батарею. Товары в ассортименте отличаются устройством модуля, способом его работы и технологией производства.

Панели с кремниевыми фотоэлементами

Согласно названию, для таких панелей используется кремний, а если быть точнее, они изготавливаются на основе амфорного кремния. Этот вид модулей относится к тонкопленочным солнечным батареям. Это очень прочный и надежный материал, который может прослужить более 25 лет. Такой вид кремния образуется под раскаленным паром, благодаря чему кристаллам можно придать разную форму и размер. Однако процесс производства достаточно сложный, что не может не сказываться на цене изделия.

Батареи с кремниевым покрытием существуют в двух вариантах:

Монокристаллические

Относятся к дорогостоящим солнечным батареям, так как изготавливаются по особому принципу выращивания кристаллов, на что уходит много времени и сил. Монокристаллические панели представляют собой решетки из множества квадратов с немного подрезанными углами.

Такие солнечные модули отличаются не только высоким качеством, но и максимальной производительностью. Они работают даже при сильно низкой температуре, занимают мало места и при этом их КПД не снижается.

Владельцы кремниевых монокристаллических солнечных батарей отмечают длительность их использования – до 30 лет.

Поликристаллические

Главное отличие поликристаллических заключается в том, что они производятся с применением дешевого сырья, чаще всего это продукты переработки монокристаллических панелей. Для них не нужно выращивать кристаллы и сама технология более упрощенная. Но несмотря на это, они неплохо проявили себя в работе и могут использоваться даже при критически высоких и низких температурах.

Практически в 80% солнечных батарей установлены модули именно с кремниевыми пластинами.

Суть тонкопленочных панелей заключается в особом производстве, где полупроводники наносятся непосредственно на пленку. В качестве полупроводников выступает сплавы меди-индия, теллурида кадмия и селенида. Они существенно отличаются от обычных солнечных батарей наличием панели-пленки, их можно скручивать и тем самым использовать на любой местности.

Некоторые клеят их на внешнюю сторону окна, тем самым защищая дом от солнечных лучей и при этом получая небольшую порцию энергии. Ключевое слово здесь – небольшую. Тонкопленочные полупрозрачные панели отличаются низким КПД, то есть обеспечить электричеством весь дом не смогут даже при масштабном использовании.

Из дополнительных преимуществ можно выделить маленький вес, простой способ монтажа и невысокую цену.

Концентраторные модули

Концентраторные солнечные батареи считаются самыми эффективными и наряду с этим самыми дорогими. У них наивысший процент фотоэлектрического преобразования, а все потому, что они состоят из многослойной структуры, которая отличается составом полупроводников.

Самой успешной по действию признана трехслойная структура. Принципы работы ее в поглощении солнечного излучения по всей длине волн и во всем диапазоне. Подобного эффекта не имеют никакие другие солнечные батареи.

Но они сложны в производстве и дороги, поэтому не особо популярны.

Покупка дорогих концентраторных модулей оправдана только для регионов с высокой солнечной радиацией, которая наблюдается на протяжении всего года.

В батареи органического типа включены элементы, которые состоят из органических полимеров, отсюда и такое название. Это гибкая батарея, которая производится в любых размерах и печатается на пластике с помощью принтера. Суть технологии напрямую сказывается на производительности панели.

Процент КПД у них достаточно низкий, зато они отличаются низкой ценой и экологической функцией. Они могут быть выполнены в любой удобной форме и размере, при этом с полным сохранением желаемой текстуры пластика.

Некоторые такой вариант используют и как декор частного дома, и как подпитку электроэнергией.

Принцип работы солнечных панелей

Схема электропитания дома от солнца

Если вы хотите пользоваться солнечными батареями для обеспечения своего дома экологичным видом электроэнергии, то вы должны знать, как работает система и что от вас потребуется. Итак, схема электропитания включает в себя следующий набор обязательных устройств:

Суть солнечных батарей мы уже определили, а вот зачем нужно остальное оборудование? Аккумулятор позволяет собирать необходимое количество энергии и сохранять ее с целью использования в темное время суток или в пасмурные дни, когда солнечной радиации недостаточно для удовлетворения электрических потребностей. Контроллер не является обязательной частью, но с его помощью можно обезопасить батарею и аккумулятор от перепадов напряжения, а также полного разряжения. Такое решение позволяет сохранить срок службы солнечной системы.

Осталось разораться с инвертором. Без него вы не сможете использовать полученную энергию от солнца по назначению. Инвертор позволяет преобразовать постоянный солнечный ток в переменный с повышенным показателем напряжения сети.

То есть, так как батареи выпускаются мощностью 12В, 24В и 48В, то инвертор путем трансформации «перерабатывает» его в привычные 220В. Лучше всего отдавать предпочтение трехфазным синусоидным инверторам.

Они отличаются высокой надежностью и работой даже при самых низких температурах.

Источник: https://www.termico-solar.com/printsip-raboty-solnechnoj-batarei/

Железнодорожные кассы — Вокзал в Анапе удачно работает на солнечных батареях

Анапский жд вокзал стал первооткрывателем среди аналогичных объектов инфраструктуры, который перешёл на альтернативные источники энергии. Было потрачено около 13 миллионов рублей для того, чтобы на его крыше разместить и запустить в работу 560 солнечных батарей.

Принцип работы новой системы

Каждая солнечная батарея с тонкоплёночными фотоэлектрическими модулями даёт энергию благодаря преобразованию солнечного излучения в постоянный электрический ток. Затем постоянный ток преобразуется в переменный с помощью специального инверторного оборудования.

В штатном режиме благодаря работе установленных батарей обеспечивается нормальное функционирование всех систем большого здания на протяжении дня – работа осветительных приборов, кондиционеров, информационных табло, систем вентиляции.

В ночное время суток подача электроэнергии на вокзал Анапы осуществляется благодаря внешним источникам питания, хотя железнодорожная станция может обходиться круглые сутки на электроэнергии, получаемой от солнечных батарей и аккумулируемой в специальных накопителях.

Система переработки энергии солнца в электрическую устроена таким образом, чтобы аккумуляторы могла накапливать достаточный запас энергии для работы системы в аварийном режиме. Это позволяет Анапскому вокзалу полноценно работать на протяжении четырёх часов независимо от внешних источников питания. Это время можно увеличить до суток, если оставить работать только самые востребованные и необходимые службы – билетные кассы, системы пожаротушения и охраны.

Солнечные батареи и сопутствующее оборудование не занимает много места и позволяет использовать незадействованное пространство крыш зданий и сооружений.

Окупаемость инвестиций

Уже сейчас перевод вокзала Анапы на питание от лучей солнца можно с уверенностью назвать прибыльным предприятием. Мощность установленной системы составляет около 70 кВт, тогда как для полноценной работы здания требуется не больше 50 кВт. Излишки вырабатываемой энергии передаются в общую городскую сеть, что ещё раз говорит в пользу экономической эффективности солнечных батарей.

Альтернативный источник питания позволил руководству вокзала Анапы существенно сократить расходы на оплату услуг энергоснабжающей организации. Экономия составляет порядка полутора-двух миллионов рублей ежегодно. Система должна проработать без сбоев на протяжении не менее двух десятков лет, а значит, она окупится уже после первой трети срока эксплуатации.

Перспективы использования новой системы

Использование солнечной энергии в качестве основного источника питания обусловлено не только экономической выгодой, но и принципами сохранения окружающей среды. Установив солнечные батареи можно обеспечить работу не только осветительных приборов, но и энергозатратных производственных установок.

Вполне возможно, что после эксперимента в Анапе, многие другие объекты железнодорожной инфраструктуры, расположенные в южных регионах России, захотят перейти на альтернативные источники питания. Это позволит им не только существенно сэкономить, но и стать независимыми от ресурсоснабжающих компаний и в случае катаклизмов и аварий на электростанциях продолжать работу в штатном режиме благодаря специальным аккумуляторам, накапливающим солнечную энергию.

Источник: https://kassa.su/novosti/vokzal-v-anape-udachno-rabotaet-na-solnechnyix-batareyax/

Как работает солнечная батарея и и её устройство

Солнечные батареи стали популярным альтернативным источником электроэнергии. Преобразующие устройства позволяют заметно ее удешевить, обеспечивают бесперебойное снабжение ресурсом объектов, поэтому активно применяются в частных домовладениях, фермерских хозяйствах, коммерческих организациях и в промышленности.

Мы рассматриваем уникальную разработку человечества, и, конечно, хотелось бы узнать историю. Началось все в далеком 1839 г. Тогда Александр Беккерель открыл возможность преобразования света солнца в электроэнергию. Ученый представил первый прототип современной солнечной батареи. К сожалению, ввиду несовершенства устройство отличалось низким КПД – 1%. Но труды над развитием и совершенствованием идеи продолжились.

В 1873 г. ученый Чарльз Фриттс выявил чувствительность селена к свету. Через четыре года удалось отметить, что вещество под действием лучей солнца вырабатывает электрический ток. Еще через три года создали первый солнечный элемент. Для изготовления применили покрытый золотом селен. Производительность также составила 1%.

Несмотря на малую производительность, Фриттс считал свою разработку эволюционной. Ученый настаивал на том, что энергию солнца целесообразно использовать как способ получения электричества. Фриттс предсказал, что со временем солнечные батареи заменят электростанции.

В 1905 г. А. Эйнштейн объяснил суть фотоэффекта. После обоснованного разъяснения появились надежды на изготовление солнечных батарей с производительностью, значительно превышающей ранее представленные показатели. Но прогресс не оправдал ожиданий.

Первый прорыв в разработках состоялся в 1954 г. Тогда Гордон Пирсон, Дэррил Чапин и Кэл Фуллер изготовили кремниевый солнечный элемент. Производительность составила 4%. Кремний оказался лучше селена по уровню продуктивности. После производительность изделия повысили до 15%. 

Использовать солнечные батареи начали в сельских районах, где были проблемы с инженерными коммуникациями. Сегодня разработка получила масштабное распространение, успешно применяется в развитых странах мира с целью получения дешевой электроэнергии.

Основные термины

Чтобы разбираться в теме было проще, внимательно изучите используемые в данной области термины. Они помогут улучшить понимание материала, упростить выбор оборудования при планировании покупки. К основным терминам отнесем:

  • солнечная энергетика – направление альтернативной энергетики, базирующееся на применении лучей солнца для получения энергии;
  • солнечная батарея – главный элемент. Это конструкция из последовательно или параллельно соединенных модулей;
  • солнечные модули – фотоэлектрические элементы, объединенные в блок;
  • фотоэлемент – главный компонент, используемый для создания батарей. Он преобразует энергию фотонов в электрическую;
  • монтажная шина – плоский луженый проводник, изготовленный из меди, используемый для соединения фотоэлектрических элементов методом спаивания;
  • ПЭТ или полиэтилентерефталатная пленка. Используется для защиты тыльной стороны фотомодуля;
  • пикочасы – время, за которое модуль способен принять освещенность, равную 1000 Вт/м²;
  • монокристаллический кремний – кремний, производимый методом Чохральского, цилиндрические слитки;
  • поликристаллический кремний – кремний, производимый методом направленной кристаллизации, прямоугольные блоки;
  • инсоляция – освещенность поверхности. Измеряется в кВтч/м².

Это основные термины, касающиеся рассматриваемых устройств. Частному потребителю пригодится половина наименований, ведь подбором и установкой батарей занимаются мастера, работающие в этой области.

Устройство 

Сама солнечная панель состоит из соединенных между собой фотоэлементов, бывает рамочной и безрамной. Рамы изготавливают из алюминия. В основе модулей, расположенных на металлической основе, лежит два вида кремния, отличающихся физическими свойствами. На этих пластинах располагаются металлические ребра жесткости, сверху – прозрачное стекло. По сути, устройство солнечной батареи не представляет собой слишком сложной для понимания темы.

Одна панель не даст никакого результата без дополнительных комплектующих:

  • аккумулятор – накапливает преобразованную фотоэлементами энергию. АКБ необходима для обеспечения постоянного энергоснабжения объекта даже в пасмурную погоду и холодное время года;
  • контроллер заряда – распределяет потоки электрической энергии, поддерживает стабильное напряжение на выходе;
  • инвертор-преобразователь – преобразовывает постоянный ток, получаемый от установки, в переменный;
  • стабилизатор напряжения – поддерживает оптимальные показатели напряжения в системе.

Чтобы солнечные панели работали стабильно и на максимуме возможностей, компоненты системы должны быть подобраны правильно, соответствовать характеристикам друг друга. Поэтому выбор и монтаж рекомендуется доверять лицам, имеющим в этой области немалый опыт.

Виды кристаллов фотоэлементов

Выше мы говорили о том, что кремний бывает монокристаллическим и поликристаллическим. Рассмотрим отличия внимательнее:

  • монокристаллические пластины. Отличаются высоким КПД – 20-22% и дороговизной, обусловленной сложностью производственного процесса. Кристаллы имеют форму квадратов со срезанными углами;
  • поликристаллические. Кристаллы имеют прямоугольную форму, получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Простое производство позволяет устанавливать на материал невысокую цену, но КПД 15%.

Этот момент следует учитывать, планируя приобретение солнечной панели.

Виды солнечных батарей

На первом месте по степени распространения и уровню популярности стоят кремниевые моно- и поликристаллические панели. Они характеризуются КПД в пределах 15-20%, доступны по цене, представлены на рынке в широком ассортименте. Если сравнить по эксплуатационным характеристикам, получим следующее:

  • монокристаллические: надежнее, работают стабильно, окупаются за 2 года. Более совершенны, но дороже поликристаллических;
  • поликристаллические: менее стабильны, проще в производстве, дешевле, окупаются за 3 года. 

Вышеуказанные показатели КПД нельзя назвать пределом совершенства, поэтому разработчики продолжают трудиться над поиском и воплощением в реальность новых решений. Так у кремниевых батарей появился ряд конкурентов.

Тонкопленочные панели представлены тремя видами неорганических пленочных солнечных элементов:

  • кремниевые пленки на базе аморфного кремния (a-Si). КПД – 10%. Светопоглощение хорошее, устройства функционируют на прием лучей даже в пасмурную погоду. Эластичны, долговечны; 
  • пленки из теллурида кадмия (CdTe). КПД 10-11%. Материал характеризуется хорошим светопоглощением. Есть информация о ядовитости вещества, но исследования показывают, что количество частиц, которое попадает в атмосферу, абсолютно безопасно для человека и окружающей среды; 
  • пленки селенида меди-индия-галлия (CuInGaSe2, или CIGS). Производительность – 12-13%. Индий применяют в производстве жидкокристаллических мониторов, поэтому и заменяют часто галлием.

Полимерные солнечные батареи появились на рынке недавно, как альтернатива существующим вариантам. В качестве проводников производители используют полифенилен, фуллерены, фталоцианин меди. Пленка получается тонкой – 100 нм, КПД всего 5%. Но даже при таких показателях полимерные панели пользуются спросом, обладая рядом преимуществ:

  • доступная цена;
  • исключение выделения вредных веществ;
  • широкое распространение.

Для небольших частных домовладений это вполне удобный вариант.

Многослойные, многопереходные или тандемные модели: ячейки включают разные материалы, образующие несколько p-n переходов. Ценятся панели тем, что могут улавливать лучи разного спектра и длины волн.

Для получения возможности преобразования всего солнечного спектра используют специальные призмы, разделяющие свет солнца. На рынке такие модели появились сравнительно недавно, до этого использовались исключительно в космосе. После поступления в свободную продажу объемы реализации приятно удивили.

Но оправдали ли панели приобретение? Из заявленных показателей КПД для разных конструкций отличается:

  • с двухслойными ячейками – 42%;
  • с трехслойными – 49%;
  • с бесконечным количеством слоев – 68%.

Эти показатели теоретические. Зная, как работает солнечная батарея в теории, исследователи на определенном этапе разочаровались. Практика показала, что средний КПД многопереходных панелей составляет 30%. Исследования проводились при несфокусированном свете солнца.

Результат оказался слишком малым, что свидетельствовало о невозможности окупить дорогой производственный процесс. Тогда и начали применять концентраторы для фокусировки света в 500-1000 раз. Концентратор в виде линзы Френеля и параболического зеркала получает свет с площади в 1000 раз больше площади ячейки.

КПД увеличивается до 40%.

Самые крупные производители 

Сегодня удается выделить ряд фирм, являющихся крупнейшими производителями и поставщиками солнечных батарей:

  • Suntech – китайская компания. Занимается производством солнечных панелей высокого класса качества. Работает с 2001 года. Имеет представительства во многих развитых странах мира. Организация ведет полный цикл производства, начиная с получения кремниевых кристаллов, заканчивая сборкой преобразовывающих конструкций. Производственные мощности находятся в Китае, Японии, Германии, США; 
  • Yingli – крупная китайская корпорация, занимающаяся производством фотомодулей. Работает с 1998 года. С 2003 выпускает панели мощностью до 2 МВт. В 2012 и 2013 компания стала лидером по объемам производства в своей области;
  • Trina Solar – входит в число лидеров по производству преобразовательных панелей. Главный офис и завод находятся в Китае. Работает компания с 1997 г. Выпускает продукцию, соответствующую национальным и международным стандартам. Кроме Китая заводы фирмы располагаются в Таиланде и Вьетнаме. В 2017 году руководство анонсировало строительство производственных мощностей в Индии, но позже приостановило реализацию проекта; 
  • First Solar – американская компания, основанная в 1990 году. Занимается производством панелей и обеспечением профильных заводов специальным оборудованием, предоставляет услуги по обслуживанию производственных мощностей, участвует в переработке исчерпавших ресурс модулей;

Источник: https://uaenergy.com.ua/post/32473/kak-rabotayut-solnechnye-batarei-vnutrennee-ustroystvo-istoriya-i-raznovidnosti

Cолнечная батарея, как работает и производится

:

Ежесекундно огромное количество солнечной энергии поступает на поверхность нашей планеты,  давая жизнь всему живому. Достойной задачей для пытливых умов является решение, которое заставило бы ее служить нуждам людей. И это уже пытаются воплотить в жизнь те, кто изобрел конструкцию солнечной батареи, способной преобразовывать солнечный свет в электрическую энергию.

Понять, как работает солнечная батарея, легче на примере конструкции, в основе которой лежит монокристаллический кремний.

Принцип работы солнечной батареи

В результате перетечки зарядов на границе p- и n- слоев, в n-слое образуется зона нескомпенсированного положительного заряда, а в p-слое – отрицательного заряда, т.е. известный всем из школьного курса физики p-n-переход.

Разность потенциалов, возникающая на переходе контактная разность потенциалов (потенциальный барьер) препятствует прохождению электронов с p-слоя, но беспрепятственно пропускает неосновные носители в направлении противоположном, что позволяет получить фото-ЭДС при попадании на ФЭП солнечного света.  

При облучении солнечным светом, поглощенные фотоны начинают генерировать неравновесные электронно-дырочные пары. Генерируемые же вблизи перехода электроны, из p-слоя переходят в n-область.

Аналогичным образом попадают в p-слой избыточные дырки и слоя n (рисунок а). Получается, что в p-слое накапливается  положительный заряд,  а в n- слое – отрицательный, вызывая напряжение во внешней цепи (рисунок б). У источника тока есть два полюса: положительный — p-слой и отрицательный — n-слой.

Это основной принцип работы солнечный элементов. Электроны, таким образом, будто бегают по кругу, т.е. выходят из p-слоя и возвращаются в n-слой, проходя нагрузку (аккумулятор).

Фотоэлектрический отток в однопереходном элементе обеспечивают лишь те электроны, которые обладают энергией выше, чем ширина некой запрещенной зоны. Те же, которые обладают меньшей энергией, в этом процессе не участвуют. Это ограничение снять позволяют структуры многослойные, состоящие из более чем один СЭ, у которых ширина запрещенной зоны различная.

Их называют каскадными, многопереходными или тандемными. Фотоэлектрическое преобразование у них выше за счет того, что работают такие СЭ с более широким солнечным спектром. В них фотоэлементы располагаются по мере уменьшения ширины запрещенной зоны.

Солнечные лучи вначале попадают на фотоэлемент с самой широкой зоной, при этом происходит поглощение фотонов с наибольшей энергией.

Затем, фотоны, пропущенные верхним слоем, попадают на следующий элемент и т.д. В области каскадных элементов основным направлением исследования является использование в качестве одного компонента или нескольких арсенида галлия. У таких элементов  эффективность преобразования составляет 35%. Элементы соединяют в батарею, поскольку  изготовить отдельный элемент большого размера (следовательно, и мощности) не позволяют технические возможности.

Солнечные элементы способны работать длительное время. Они себя зарекомендовали как стабильный и надежный источник энергии, пройдя испытания в космосе, где главной опасностью для них является метеорная пыль и радиация, которые приводят к эрозии кремниевых элементов. Но, поскольку, на Земле эти факторы не оказывают на них столь негативного действия, можно предположить, что срок службы элементов будет еще более продолжительным.

Солнечные батареи уже находятся на службе человека, являясь источником питания для  различных устройств, начиная от мобильных телефонов и заканчивая электромобилями.

И это уже вторая попытка человека обуздать безграничную солнечную энергию, заставив работать ее себе во благо. Первой попыткой было создание солнечных коллекторов, электричество в которых вырабатывалось за счет нагрева сконцентрированными лучами солнца воды до температуры кипения.

Термальная солнечная электростанция в Испании (город Севилья)

Преимущество солнечных батарей в  том, что они непосредственно производят электричество, теряя энергии намного меньше, чем солнечные многоступенчатые коллекторы, в которых процесс ее получения связан с концентраций лучей Солнца, нагревом воды, выделением пара, вращающего паровую турбину и только после этого выработке генератором электричества. Основные параметры солнечных батарей – в первую очередь, мощность. Затем важно, каким запасом энергии они обладают.

Зависит этот параметр от емкости аккумуляторов и их числа. Третьим параметром является пиковая мощность потребления, означающая количество одновременно возможных подключений приборов. Еще одним важным параметров является номинальное напряжение, от которого зависит выбор дополнительного оборудования: инвертора, солнечной панели, контроллера, аккумулятора.

Гибкие солнечные батареи

Очень удобными являются гибкие панели, которые легко сворачиваются в рулон, словно обычная бумага. Хотя стоимость их выше, чем твердотельных аналогов, они на рынке заняли свою нишу.

В основном  они пользуются спросом у туристов и путешественников, которым в условиях отсутствия электрификации необходимо заряжать мобильные гаджеты.

Главным производителем гибких батарей, работающих от солнечной энергии, является компания Sun Charger, которая, к слову, недавно обновила свой модельный ряд моделями 34 Вт и 9Вт. 

 T_3Fq3YnxMk 

Источник: https://motocarrello.ru/jelektrotehnologii/1296-solnechnaja-batareja.html

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Как правильно подключать амперметр и вольтметр
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Электро Дело
Сколько киловатт нужно для сварки

Закрыть