Переработка солнечного света в электроэнергию для освещения домов и других строений — надежная цель сторонников возобновляемых источников энергии.
Принцип работы солнечной батареи и ее КПД пока не позволяют говорить о высокой эффективности таких систем. Будет неплохо получить собственный дополнительный источник электроэнергии. Особенно, ведь уже сегодня в России гелиопанелями “дармовой” электроэнергией успешно снабжается немалое количество частных домов. Не знаете с чего начать?
Здесь описывается устройство и принцип работы солнечной панели. Узнаете, что влияет на эффективность гелиосистемы. Видеоролики в статье покажут, как собрать солнечную панель из фотоэлементов собственными руками.
Солнечные батареи: терминология
В области солнечной энергетики много тонкостей и непонятного. Новичкам может быть сложно понять все термины сразу. Однако без этого осваивать гелиоэнергетику, покупая оборудование для производства «солнечного» тока, нецелесообразно.
Незнание может привести к выбору неподходящей панели и даже её повреждению во время подключения или извлечения из неё недостаточного количества энергии.
Вначале необходимо изучить существующие виды оборудования для получения энергии от солнца. Солнечные батареи и солнечные коллекторы – два различных прибора, оба превращающие солнечную энергию.
В первом варианте потребитель получает электричество, а во втором — тепло в виде нагретого теплоносителя. отопления дома.
Второй нюанс – это понятие термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимают устройство, аккумулирующее электроэнергию, или радиатор отопления. Однако у гелиобатарей ситуация иная.
Солнечные батареи генерируют электрический ток, который накапливается для освещения дома ночью после того, как солнце скрылось за горизонтом, и используется дополнительным источником энергии совместно с аккумуляторами.
В данном случае батареей называют набор одинаковых элементов, объединённых в единую конструкцию. Это по сути панель из нескольких идентичных солнечных фотоэлементов.
Внутреннее устройство гелиобатареи
Солнечные батареи всё чаще применяются: от зарядки аккумуляторов уличных фонарей до строительства крупных солнечных электростанций.
Каждая солнечная батарея состоит из блоков, где модули объединяют последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Для понимания работы всей батареи нужно разобраться в работе каждого фотоэлемента, составляющего звено гелиопанели на базе полупроводников.
Виды кристаллов фотоэлементов
Существует множество вариантов солнечных панелей (ФЭП) из различных химических элементов, но большинство находятся на ранних этапах развития. В настоящее время промышленное производство ограничено панелями с фотоэлементами на базе кремния.
В гелиоэлектрической панели фотоэлемент представляет собой тонкую пластину из двух слоёв кремния, у каждого слоя специфические физические характеристики. Это традиционный полупроводниковый p-n переход с электронной дыркой.
Нарушение однородности кристалльной структуры в процессе воздействия фотонами на ФЭП приводит к образованию вентильной фото-ЭДС между слоями полупроводника.
Фотоэлементы с кремниевыми пластинами отличаются друг от друга технологиями производства.
- Монокристаллические.
- Поликристаллические.
Первый тип обладает большей эффективностью, но производство его обходится дороже. По внешнему виду разные варианты солнечных панелей отличаются формой.
Монокристаллические ФЭП характеризуются однородной структурой и выполнены в виде квадратов со срезанными углами. Поликристаллические элементы, наоборот, имеют строго квадратную форму.
Поликристаллы образуются при медленном остывании расплавленного кремния. Данный метод своей простотой позволяет выпускать недорогие фотоэлементы.
Производительность солнечных электростанций редко превышает 15% из-за «нечистоты» кремниевых пластин и их внутренней структуры. Чем чище p-слой кремния, тем выше эффективность фотоэлектрического преобразователя из него.
Монокристаллы обладают большей чистотой по сравнению с поликристаллическими аналогами. Их изготавливают не из расплавленного, а из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования таких ФЭП уже достигает 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.
Принцип работы солнечной панели
При попадании солнечных лучей на фотоэлемент, образуются неравновесные электронно-дырочные пары. Излишки электронов и дырок частично переходят через p-n-переход из одной области полупроводника в другую.
Внешняя цепь получает напряжение. На контакте p-слоя образовывается положительный полюс источника тока, а на n-слое – отрицательный.
Фотоэлементы, подключенные к аккумулятору, создают замкнутую цепь.
В процессе работы солнечная панель функционирует как устройство, по которому электроны перемещаются, подобно бегущим по колесу спортсменам. Аккумулятор постепенно заряжается в ходе этого процесса.
Типичные кремниевые фотоэлементы представляют собой однопереходные устройства.
Поток электронов в них осуществляется посредством одного p-n-перехода, имеющего ограниченную по энергии зонную структуру.
Каждый такой фотоэлемент производит электроэнергию только от ограниченного диапазона солнечного света. Остаток энергии не используется, что приводит к низкой эффективности ФЭП.
Для увеличения эффективности солнечных батарей кремниевые полупроводниковые элементы стали производить многопереходными (каскадными). В новых элементах несколько переходов, каждый из которых предназначен для определенного спектра солнечного излучения.
Общий показатель эффективности преобразования света в электричество таких фотоэлементов повышается. Вместе с тем, стоимость их производства заметно выше. Получается выбор: простота изготовления по невысокой цене при низкой отдаче или более высокая эффективность за счет высокой стоимости.
В процессе работы фотоэлемент и вся батарея нагреваются. Неиспользованная энергия преобразуется в тепло. Температура поверхности гелиопанели может достигать 50–55 °С. Чем выше температура, тем хуже работает фотогальванический элемент.
В жару одна модель солнечной батареи производит ток меньше, чем в мороз. Наибольший КПД фотоэлементы демонстрируют в ясный зимний день из-за большого количества солнечного света и естественного охлаждения.
Даже при снегопаде панель будет производить электричество. Снег не сможет задержаться на поверхности, так как тепло от нагретых фотоэлементов моментально его растопит.
Эффективность батарей гелиосистемы
Даже под палящим солнцем один фотоэлемент производит мало электроэнергии, которая может обеспечить работу лишь небольшого светодиода.
Для увеличения выходной мощности ряд ФЭП соединяют параллельно для повышения постоянного напряжения и последовательно для увеличения 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.
При понижении температуры на улице эффективность фотоэлементов и гелиобатареи увеличивается. Расчет нагрузки представляет собой более сложную задачу, требующую подбора величины в соответствии с током, вырабатываемым панелью. Однако этот показатель варьируется в зависимости от погодных условий.
Непрерывный мониторинг параметров солнечной батареи и ручная настройка её работы затруднительны. контроллером управленияСистема, которая самостоятельно регулирует настройки гелиопанелей для достижения наивысшей эффективности и идеальных рабочих параметров.
Лучше всего лучи солнца освещают гелиобатарею под прямым углом. При отклонении на 30 градусов эффективность панели снижается только на 5%. Если угол ещё больше, всё больше солнечного излучения будет отражаться, что уменьшит КПД фотоэлектрического преобразователя.
Чтобы батарея летом отдавала максимум энергии, её нужно расположить перпендикулярно среднему положению Солнца в весенне-осенние равноденствия.
Для Москвы угол наклона солнечной панели должен составлять примерно 40–45 градусов к горизонту. Если требуется максимальная эффективность зимой, то панель следует установить более вертикально.
Пыль и грязь существенно снижают работоспособность фотоэлементов. Фотоны через такую «грязную» преграду не достигают их, и потому не могут преобразоваться в электричество. Панели нужно периодически мыть или располагать таким образом, чтобы пыль смывалась дождем.
Встроенные в некоторые солнечные панели линзы фокусируют солнечный свет на фотоэлектрический преобразователь. В безоблачную погоду это увеличивает эффективность работы. Во время сильной затуманенности же такие линзы оказывают негативное влияние.
В таком случае обычная панель может продолжить генерировать ток, хотя и в меньшем количестве, а линзовая модель почти совсем остановится.
Солнце батарею из фотоэлементов должно освещать равномерно. Если участок оказывается затемненным, то неосвещенные фотоэлементы становятся паразитными нагрузками. В подобной ситуации не генерируют энергию, но еще и забирают ее у работающих элементов.
Солнечные панели следует монтировать с таким расчетом, чтобы солнечный свет не блокировали деревья, строения или другие препятствия.
Схема электропитания дома от солнца
Система солнечного электроснабжения включает:
- Гелиопанели.
- Контроллер.
- Аккумуляторы.
- Инвертор (трансформатор).
В данной схеме контроллер предохраняет как солнечные панели, так и аккумуляторные батареи. С одной стороны, он предотвращает обратный ток ночью и в ненастную погоду, а с другой – защищает АКБ от перенапряжения при зарядке/разряде.
Чтобы преобразовать постоянный ток в 12, 24 или 48 Вольт в переменный ток 220 Вольт требуется. инверторАвтомобильные аккумуляторы подходят для этой схемы не лучшим образом, так как они плохо переносят частые перезарядки. Затратив немного больше, лучше выбрать специальные гелиевые AGM или заливные OPzS аккумуляторы.
Выводы и полезное видео по теме
Принципы работы и схемы подключения солнечных батарейНесложно понять, как работают гелиопанели, а сборка и установка их станут еще понятнее благодаря видеоматериалам, которые мы собрали ниже.
Просто и понятно рассказано о том, как функционирует фотоэлектрическая солнечная батарея.
Устройство солнечных батарей показано в следующем видео.
Самостоятельное изготовление солнечной батареи из фотоэлементов.
Каждый элемент в системе солнечного электроснабженияВыбор коттеджа должен быть продуманным. Неизбежные потери мощности возникают на аккумуляторах, трансформаторах и контроллере. Эти потери необходимо сократить до минимума, иначе недостаточно высокая эффективность гелиопанелей окажется полностью утраченной.
Возникли вопросы по тексту или есть что-то интересное для читателей? Делитесь своим мнением внизу.