Как работает солнечная батарея: устройство и принцип действия, подробное видео

Плюсы и минусы солнечных панелей

У каждого типа есть свои особенности, которые стоит учесть при выборе, чтобы решить, какой вид подойдет больше всего:

1. Монокристаллические панели имеют самый большой КПД и за счет этого экономится площадь под размещение модулей. Они служат как минимум 25 лет и медленно теряют показатели мощности. При этом поверхность очень чувствительна к загрязнениям, ее нужно часто мыть. А цена самая высокая из всех вариантов на основе кремния.
2. Поликристаллические варианты не так эффективно поглощают солнечные лучи, но зато лучше работают при рассеянном освещении. По соотношению цены и качества они выгоднее, но занимают больше места из-за меньшего КПД.
3. Батареи из аморфного кремния можно размещать где угодно, в том числе и на стенах зданий, так как они хорошо поглощают рассеянный свет. При невысоком КПД они имеют низкую цену, поэтому могут использоваться как эконом-вариант. При этом служат долго и не так боятся загрязнения поверхности.
4. Варианты из редкоземельных металлов имеют схожие преимущества и недостатки, поэтому можно рассмотреть их вместе. По эффективности они превосходят классические панели, могут наноситься на пленку, что удобно. Температурный диапазон у них больше, поэтому нагревание не сказывается на эффективности работы. Но из-за высокой цены и редкости металлов такие варианты не используются массово.

Вариант с размещением на стенах упрощает работу по монтажу.

Рекомендации по выбору газоблоков

Почему именно солнечные батареи?

1. Солнце есть практически везде. Пока есть доступ к солнечному освещению, электроэнергия может быть получена при помощи данных устройств.

2. Автономность. Нет надобности в подключении к централизованной системе электроснабжения. Соответственно, можно снизить общие расходы на содержание дома. Нет нужды зависеть от ценовой политики местных энергетических магнатов.

3. Когда нужно подводить электрокабель в отдаленные деревни и фермы, порой намного дешевле установить солнечные батареи. Подсчитайте стоимость кабеля, столбов, техники и рабочих, и получится, что при меньшей волоките можно получить ту же услугу, и при этом быть самому себе хозяином.

4. Экологичность. Это основное преимущество данной технологии. Нет нужды использовать ископаемые ресурсы, которые, как известно, не возобновляются. Фотоэлементы не производят канцерогенных выбросов, не повышают уровень парниковых газов. Для их постоянной работы нет необходимости уничтожать и без того уже потрепанные лесные массивы.

5. Отсутствие лицензирования. Пока государство еще не приняло решение об обязательном лицензировании получения электроэнергии благодаря фотоэлементам, этим можно воспользоваться. Как известно, ничего бесплатного долго не бывает.

Виды солнечных батарей

Подбор типа батарей с необходимыми параметрами обеспечит максимальную производительность с учётом климатических особенностей региона. Выпускается несколько разновидностей плит, отличающихся структурой поверхностного слоя и технологическим процессом изготовления.

• Плиты с покрытием из монокристаллического кремния относятся к самым дорогостоящим фотоэлементам, что обусловлено способностью накопления солнечной энергии при сильной облачности. Производство включает сложный процесс медленного остывания кремниевого расплава. После остывания материал разрезается и подвергается дополнительной термообработке. Обычно пластины имеют тёмно-синий цвет.

• Покрытия рабочей поверхности поли- или монокристаллическим кремнием имеют более доступную стоимость в связи с использованием упрощённой технологией производства. Электротехнические показатели немного уступают другим типам солнечных батарей.

Как работает солнечная батарея

Все живое на земле возникло, благодаря энергии солнца. Ежесекундно на поверхность планеты поступает огромное количество энергии в виде солнечного излучения. В то время, как мы сжигаем тысячи тонн угля и нефтепродуктов для обогрева жилища, страны, расположеные ближе к экватору изнывают от жары. Пустить энергию солнца на нужды человека — вот достойная для пытливых умов задача. В этой статье мы рассмотрим конструкцию прямого преобразователя солнечного света в электрическую энергию — солнечного элемента.

Тонкая пластина состоит из двух слоев кремния с различными физическими свойствами. Внутренний слой представляет собой чистый монокристаллический кремний, обладающий дырочной проводимостью. Снаружи он покрыт очень тонким слоем «загрязненного» кремния, например с примесью фосфора. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт. У границы n-и p- слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход.

Возникший на переходе потенциальный барьер препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом. Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электронно-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой. В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой — положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение. Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой — положительному.

Большинство современных солнечных элементов обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позвляют многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше. В типичном многопереходном солнечном элементе одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией.

Батареи работают не от солнечных лучей, а от солнечного света в принципе. Электромагнитное излучение достигает земли в любое время года. Просто в пасмурную погоду энергии вырабатывается меньше. Например, мы устанавливали автономные фонари на солнечных батареях. Конечно, бывают небольшие промежутки, когда батареи не успевают полностью заряжаться. Но в целом за зиму это не так уж и часто происходит.

Интересно, что даже если на солнечную панель попадает снег, она все равно продолжает преобразовывать солнечную энергию. А за счет того, что фотоэлементы нагреваются, снег сам оттаивает. Принцип такой же, как подогрев стекла у машины.

Идеальная зимняя погода для солнечной батареи морозный безоблачный день. Иногда в такие дни даже рекорды по генерации можно устраивать.

Зимой эффективность солнечной батареи падает. В Москве и Подмосковье в среднем в месяц она вырабатывает в 8 раз меньше электроэнергии. Скажем, если летом для работы холодильника, компьютера и верхнего освещения дома нужен 1 кВт энергии, то зимой для надежности лучше запастись 2 кВт.

При этом на Дальнем Востоке продолжительность солнечного сияния больше, эффективность снижается всего в полтора-два раза. Ну и, конечно, чем южнее, тем меньше разница между зимним и летним периодом.

Так же важен угол наклона модулей. Можно выставить универсальный угол, на целый год. А можно каждый раз менять, в зависимости от сезона. Делают это не владельцы дома, а специалисты, которые выезжают на место.

Устройство солнечной батареи

Для того, чтобы солнечная батарея была способна преобразовывать свет солнца в ток, необходимы следующие элементы:

1. Фотоэлектрический слой, который играет роль полупроводника. Представлен двумя слоями разных по проводимости материалов. Здесь электроны способны переходить из области p(+) в область n (-). Это называется p-n переход;
2. Между двумя слоями полупроводников помещен элемент, который является по своей сути преградой для перехода электронов;
3. Источник питания. Он необходим для подключения к элементу, препятствующему переходу электронов. Он преобразовывает движение заряженных электронов, т.е. создает электрический ток. Аккумуляторная батарея. Аккумулирует и хранит энергию;
4. Контролёр заряда. Основной его функцией является подключение и отключение солнечной батареи исходя от уровня заряда. Более сложные устройства способны контролировать максимальный уровень мощности;
5. Преобразователь прямого тока в переменный (инвертор);
6. Устройство, стабилизирующее напряжение. Обеспечивает защиту системы солнечной батареи от скачков напряжения.

Как это работает

Преобразование солнечного света происходит в батареях (то есть последовательно подключенных группах) фотоэлементов, которые подучили название «солнечные батареи». По какому же принципу работают солнечные батареи?

Сердцем фотоэлемента является кремниевый кристалл.
С кремнием (точнее его оксидами) мы встречаемся каждый день – это знакомый нам песок. Таким образом, можно сказать, что кремниевый кристалл – это выращенная в лаборатории гигантская песчинка. Кристаллам придают форму куба и режут на платины толщиной в двести микрон (примерно три-четыре толщины человеческого волоса).

На кремниевую пластинку с одной стороны наносят тончайший слой фосфора, с другой стороны – тончайший слой бора. Там, где кремний контактирует с бором, возникает избыток свободных электронов, а там, где кремний контактирует с фосфором, наоборот электроны в недостатке, возникают так называемые «дырки». Стык сред, обладающих избытком и недостатком электронов, называется в физике p-n переход. Фотоны света бомбардируют поверхность пластины и вышибают избыточные электроны фосфора к недостающим электронам бора. Упорядоченное движение электронов – это и есть электрический ток. Осталось только «собрать» его, проведя через пластину металлические дорожки. Так в принципе устроен кремниевый фотоэлемент.

Мощность одной пластинки-фотоэлемента довольно скромная, ее хватит разве что для работы лампочки карманного фонарика. Поэтому отдельные элементы собирают в системы-батареи. Теоретически можно собрать из элементов батарею любой мощности. Батарею укладывают на металлическую подложку, армируют для повышения прочности и накрывают стеклом

Важно, что солнечная батарея преобразует в электричество не только видимую, но и ультрафиолетовую часть солнечного спектра, поэтому стекло, покрывающее батарею обязательно должно пропускать ультрафиолет

Важным преимуществом солнечной батареи является то, что она использует свет, а не тепло, поэтому, в отличие от коллектора, солнечная батарея может работать и зимой, лишь бы облачность не закрывала солнечный свет.
Существуют проекты строительства огромных полей солнечных батарей в Арктике и Антарктике, которые будут накапливать энергию во время полугодового полярного дня, который на севере наступает летом, а на юге – зимой, то есть две гигантских солнечных электростанции никогда не будут бездействовать одновременно.

Это все в далекой перспективе, а извлечь пользу из свойств солнечной батареи можно уже сегодня, оборудовав свое жилище миниатюрной гелиоэлектростанцией. Такая станция конечно вряд ли сможет полностью удовлетворить потребности хозяйства в электричестве, но, без сомнения, станет чувствительным фактором экономии семейного бюджета.

Альтернативные источники энергии с каждым днем становятся все актуальнее. Причина тому — экологичность, возобновляемость, дешевизна. Энергия солнца — один из самых выгодных источников энергии. Ближайшие несколько миллиардов лет оно будет продолжать освещать нашу планету, отдавая огромное количество энергии, в отличии от газа и нефти. Сегодня мы научились использовать этот источник с помощью системы солнечных панелей, но мало кто понимает принцип работы солнечной батареи.
Давайте разберемся.

Для начала нужно понять, что система солнечного электроснабжения дома
это не только те черные или синеватые панели, которые устанавливаются на крышах домов. Эти светоприемники лишь один из четырех составляющих общей системы, в которую входят:

Устройство солнечной батареи

Для того, чтобы солнечная батарея была способна преобразовывать свет солнца в ток, необходимы следующие элементы:

1. Фотоэлектрический слой, который играет роль полупроводника. Представлен двумя слоями разных по проводимости материалов. Здесь электроны способны переходить из области p(+) в область n (-). Это называется p-n переход;
2. Между двумя слоями полупроводников помещен элемент, который является по своей сути преградой для перехода электронов;
3. Источник питания. Он необходим для подключения к элементу, препятствующему переходу электронов. Он преобразовывает движение заряженных электронов, т.е. создает электрический ток. Аккумуляторная батарея. Аккумулирует и хранит энергию;
4. Контролёр заряда. Основной его функцией является подключение и отключение солнечной батареи исходя от уровня заряда. Более сложные устройства способны контролировать максимальный уровень мощности;
5. Преобразователь прямого тока в переменный (инвертор);
6. Устройство, стабилизирующее напряжение. Обеспечивает защиту системы солнечной батареи от скачков напряжения.

СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ ДЛЯ ДОМА

При выборе солнечной батареи для дома нужно сравнить стоимость 1 кВт/час, получаемой от центральной энергосети, и стоимость 1 кВт/час, вырабатываемой панелями. Таким образом определяется целесообразность ее использования и величина экономического эффекта.

Согласно общей статистике, электроэнергия, вырабатываемая такой установкой, в 8,8 раза дешевле, чем предоставляемая электросетью.

Солнечные станции подразделяются на три основные категории:

1. Автономные системы, не подключенные к сети электроснабжения и укомплектованные аккумулирующим устройством, которое, как было описано выше, предоставляет накопленную энергию во время низкой интенсивности и отсутствия солнечного света, а также в случае превышения потребляемой энергии над вырабатываемой.

2. Открытые системы, не имеющие аккумуляторов и подсоединенные к основной сети через специальный инвертор. Если расходуемая мощность ниже вырабатываемой, основная электросеть отключена. В противоположном случае отключается станция, и электропитание поставляет основная сеть. Однако если нет подключения к сети, такая батарея не работает.

3. Комбинированные системы, объединенный вариант первой и второй категории. Они наиболее дорогие, так как требуют сложных сетевых инверторов и зарядных устройств. Их преимущество в том, что накопленная или лишняя электроэнергия может поступать в основную сеть.

В любом случае, для обеспечения бесперебойного электроснабжения в форс-мажорных обстоятельствах (отключение общей сети и неблагоприятные метеоусловия) нужно иметь резервный источник питания (небольшой бензиновый или дизельный электрогенератор).

Цена фотоэлектрического элемента (главного компонента батареи) минимально приемлемого качества составляет примерно 50-60 руб. за один вырабатываемый ватт мощности. Значит, стоимость системы мощностью в 200 Вт обойдется в 12000 рублей. Комплектация станции будет зависеть от ее категории и требуемой мощности.

Солнечная батарея, укомплектованная самостоятельно и установленная в частном доме, рассчитанном на семью из 4 человек, окупается в среднем в течение 4-5 лет. При этом срок службы аккумуляторов составляет 5-7 лет, а самих фотоэлементов – 20-25 лет.

Чтобы рассчитать требуемую мощность станции, нужно посмотреть, сколько электричества расходуется по факту. Большое значение имеет, используется ли дом как летняя дача или как место постоянного проживания. Для расчета нужно взять среднемесячный расход электроэнергии: для этого нужно суммировать данные квитанций за последний год и разделить на 12.

Полученный результат следует умножить на 16 – это коэффициент, эмпирически рассчитанный для средней полосы России. Например, за год было расходовано 1525 кВт: 1525 / 12 х 16 = 2034 Ватт. Значит, мощность системы должна быть не менее 2100 Ватт/час.

Еще один вопрос – где крепить солнечные панели. Здесь возможны следующие варианты:

• скат крыши, направленный на юг;
• южная стена, свободная от тени деревьев, забора и других объектов;
• свободное размещение – самый оптимальный вариант: в этом случае панели можно разместить во дворе на шарнирах и поворачивать их в течение дня таким образом, чтобы их поверхность находилась под 90% к солнечным лучам.