Превращение солнечного света в энергию, пригодную для снабжения электричеством домов и других построек, – стремление многих сторонников возобновляемых источников энергии.
Принцип работы солнечных батарей и их КПД пока не позволяют говорить о высокой эффективности таких систем. Получить собственный дополнительный источник электроэнергии было бы неплохо, не так ли? Тем более что в России уже сегодня частные домохозяйства успешно снабжаются с помощью гелиопанелей бесплатной электроэнергией. Вы все еще не знаете с чего начать?
В этой статье рассказываем о конструкции и функционировании солнечных панелей. Вы узнаете, что влияет на производительность гелиосистемы. Видеоролики в тексте позволят самостоятельно собрать солнечную панель из фотоэлементов.
Солнечные батареи: терминология
Тема «солнечной энергетики» полна тонкостей и неясностей. Новичкам может быть сложно разобраться во всех терминах сразу. Без этого заниматься гелиоэнергетикой и покупать оборудование для генерации солнечного тока – непродуманно.
Не зная особенностей, можно не подобрать подходящую панель или повредить её во время подключения, а также получить недостаточно мощности.
Сперва важно изучить виды оборудования для получения энергии от солнца. Солнечные батареи и солнечные коллекторы — два различных прибора, которые преобразуют солнечную энергию.
В первом случае потребителю доступна энергия электрическая, а во втором — тепловая, получаемая в виде нагретого теплоносителя. Солнечные панели используют для… отопления дома.
Второй нюанс – это понятие термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается устройство, аккумулирующее электроэнергию. Например, отопительный радиатор. Но в случае с гелиобатареями ситуация иная. Ничего не накапливают.
Солнечные батареи генерируют электрический ток, который накапливается и используется для освещения дома ночью.
В данном случае батареей называют набор идентичных элементов, объединенных в одно целое.
Внутреннее устройство гелиобатареи
Солнечные батареи всё чаще используются для подзарядки аккумуляторов в фонарях, смартфонах, электромобилях и частных домах, а также на спутниках. С их помощью строят солнечные электростанции с большим объёмом генерации.
Каждая солнечная батарея состоит из множества модулей. В каждом модуле последовательно соединены полупроводниковые фотоэлементы. Для понимания работы батареи важно разобраться в принципах функционирования каждого фотоэлемента.
Виды кристаллов фотоэлементов
Существует множество вариантов фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) с применением различных химических элементов, но большинство находятся на ранних этапах разработки. В настоящее время промышленное производство ограничено панелями из фотоэлементов на базе кремния.
В гелиопанелях обычный фотоэлемент представляет собой тонкую пластину из двух слоёв кремния, у каждого из которых собственные физические характеристики. Это классический полупроводниковый p-n-переход с электронно-дырочными парами.
Наличие фотонов на ФЭП приводит к образованию вентильной фото-ЭДС за счёт неоднородности кристалла полупроводника между слоями.
Изделия из кремния, используемые в фотоэлементах, различаются технологией производства.
- Монокристаллические.
- Поликристаллические.
Первые варианты эффективнее, но дороже в производстве, чем вторые. По внешнему виду различить их на солнечной панели можно по форме.
Монокристаллические ФЭП обладают однородной структурой и выполняются в виде квадратов со срезанными углами. Поликристаллические элементы, наоборот, имеют строго квадратную форму.
Поликристаллические солнечные элементы производят путем медленного остывания расплавленного кремния. Это простое производство объясняет доступную цену этих элементов.
Производительность при выработке электроэнергии из солнечных лучей редко превышает 15% из-за “нечистоты” кремниевых пластин и их внутренней структуры. Чем чище p-слой кремния, тем выше КПД фотоэлектрических элементов из него.
Монокристаллы обладают большей чистотой по сравнению с поликристаллическими аналогами. Изготавливают их не из расплава, а из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования таких ФЭП уже составляет 20-22%.
Верхний слой пластинки-фотоэлемента, обращенный к солнцу, изготовлен из кремния с добавкой фосфора. Фосфор станет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.
Разработка гибких панелей с аморфным фотоэлектрическим кремнием стала настоящим прорывом в области использования солнечной энергии.
солнечные панели нового типа прочны и легки по сравнению с поли- и монокристаллическими элементами.
Принцип работы солнечной панели
Солнечный свет, попадая на фотоэлемент, порождает неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и дырки частично перемещаются через p-n-переход из одного слоя полупроводника в другой.
Внешняя цепь получает напряжение. На контакте p-слоя создается положительный полюс источника тока, а на n-слое – отрицательный.
Фотоэлементы, подсоединенные к аккумулятору, образуют замкнутую цепь. Панель за счет этого функционирует подобно колесу, по которому перемещаются электроны, а аккумулятор накапливает заряд.
Обычные кремниевые солнечные элементы – это однопереходные устройства. В них переход электричества осуществляется только через один p-n-переход, имеющий ограниченную по энергетике фотонов область действия.
Каждый фотоэлемент производит электричество лишь от части солнечного света, остальное теряется. За счёт этого КПД ФЭП невелик.
Для повышения эффективности солнечных батарей кремниевые полупроводниковые элементы стали производить многопереходными (каскадными). В новых элементах предусмотрено несколько переходов, каждый из которых предназначен для определенного спектра солнечного излучения.
В результате общая эффективность превращения света в электричество у этих фотоэлементов увеличивается. Однако их стоимость заметно выше.
В процессе работы фотоэлемент и аккумулятор постепенно нагреваются. Неиспользованная энергия преобразуется в тепло. Температура на поверхности гелиопанели может достигать 50–55 °С. Однако чем выше температура, тем хуже работает фотогальванический элемент.
В жару одна модель солнечных батарей производит ток слабее, чем в мороз. Фотоэлементы достигают наибольшей эффективности в солнечный зимний день. Этому способствуют два фактора: обильное солнце и естественное охлаждение.
Даже при снегопаде панель будет вырабатывать электричество. Снежинки не успеют на ней долго лежать, так как растают от тепла нагретых фотоэлементов.
Эффективность батарей гелиосистемы
Даже при ярком солнце фотоэлемент производит небольшое количество электричества, которого хватает лишь на работу одного маленького фонарика на светодиодах.
Для увеличения мощности output нескольких ФЭП объединяют в цепи с параллельным соединением для повышения постоянного напряжения и последовательным — для усиления силы тока.
Эффективность солнечных панелей зависит от:
- температуры воздуха и самой батареи;
- правильности подбора сопротивления нагрузки;
- угла падения солнечных лучей;
- наличия/отсутствия антибликового покрытия;
- мощности светового потока.
Понижение температуры воздуха повышает эффективность работы фотоэлементов и гелиобатареи. С расчётом нагрузки труднее: необходимо учитывать ток, производимый панелью, который варьируется в связи с погодными условиями.
Непрерывный мониторинг параметров солнечной батареи и ручная настройка её работы затруднительны. контроллером управленияСистема автоматически настраивает параметры гелиопанелей для достижения максимальной производительности и оптимального режима работы.
Для максимальной эффективности гелиобатареи лучи солнца должны попадать перпендикулярно поверхности. При отклонении на 30 градусов эффективность снижается лишь на 5%. Однако при дальнейшем увеличении угла падения всё большее количество солнечного излучения будет отражаться, что приводит к уменьшению КПД ФЭП.
Чтобы батарея выдавала максимальную энергию летом, её нужно расположить перпендикулярно среднему положению Солнца в день весеннего и осеннего равноденствия.
В районе Москвы угол наклона панели должен составлять около 40-45 градусов относительно горизонта. При необходимости максимальной солнечной энергии зимой установку следует повернуть более вертикально.
Пыль и грязь значительно снижают производительность фотоэлементов: фотоны проходят сквозь загрязнения плохо, поэтому преобразование их в электричество затрудняется. Необходимо периодически мыть панели или устанавливать их таким образом, чтобы дождь смывал пыль.
Встроенные в некоторые фотоэлектрические преобразователи линзы предназначены для концентрации солнечного света, что при хорошей погоде увеличивает их эффективность. Но во время сильной облачности линзы оказывают негативное влияние.
В стандартной панели при таких обстоятельствах ток может продолжаться, но с меньшей интенсивностью. В линзовой модели же работа почти полностью прекратится.
Солнце должно равномерно освещать батарею из фотоэлементов. Затемнение любого участка приводит к тому, что неосвещенные ФЭП становятся паразитной нагрузкой. В такой ситуации они не только не вырабатывают энергию, но и забирают ее у работающих элементов.
Установка панелей должна обеспечивать свободный доступ солнечного света, исключая препятствия в виде деревьев, построек и других объектов.
Схема электропитания дома от солнца
Система солнечного электроснабжения включает:
- Гелиопанели.
- Контроллер.
- Аккумуляторы.
- Инвертор (трансформатор).
В этой схеме контроллер защищает как солнечные батареи, так и аккумулятор. С одной стороны он блокирует обратные токи ночью и в непогоду, а с другой – предохраняет аккумулятор от перенапряжения во время зарядки и разрядки.
Чтобы преобразовать постоянный ток (12, 24 или 48 вольт) в переменный ток 220 вольт, требуется. инверторПрименение автомобильных аккумуляторов в этой схеме нежелательно, поскольку они не способны выдерживать частые перезарядки. Рекомендуется приобрести специализированные гелиевые AGM или заливные OPzS аккумуляторы.
Выводы и полезное видео по теме
Принципы работы и схемы подключения солнечных батарей Представленный материал достаточно прост для восприятия. С помощью видеоматериалов, собранных нами ниже, разбор всех нюансов работы и монтажа солнечных панелей станет ещё более лёгким.
Легко понять, как функционирует фотоэлектрическая солнечная батарея.
Узнайте о конструкции солнечных батарей, посмотрев следующее видео.
Самодельная сборка солнечной панели из фотомодулей.
Каждый элемент в системе солнечного электроснабжения Выбор коттеджа должен быть продуманным. Неизбежные потери мощности происходят на аккумуляторах, трансформаторах и контроллере. Их необходимо сократить до минимума, иначе недостаточная эффективность гелиопанелей станет ещё ниже.
Изучая материал, возникли вопросы? Вы обладаете ценной информацией по теме статьи и хотите поделиться ею с нашими читателями? Оставляйте свои комментарии ниже.