Прожектора на солнечных батареях: устройство и принцип работы, преимущества применения

Как устроена

Система СБИтак, солнечная батарея – система взаимосвязанных элементов, структура которых позволяет, используя принцип фотоэффекта, преобразовывать попадающий на них под определённым углом солнечный свет в электрический ток.

Система, преобразующая солнечный свет в электрическую энергию состоит из следующих комплектующих элементов:

1. Материал-полупроводник (плотно совмещённые два слоя материалов с разной проводимостью). Это может быть, например, монокристаллический или поликристаллический кремний с добавлением других химических соединений, позволяющих получить нужные для возникновения фотоэффекта свойства.

   Для возникновения перехода электронов из одного материала в другой необходимо, чтобы один из слоёв имел избыток электронов, а другой – их недостаток. Переход электронов в область с их недостатком называют p-n переходом.

2. Тончайший слой элемента, противостоящего переходу электронов (размещается между этими слоями).
3. Источник электропитания (если его подключить к противостоящему слою, электроны смогут легко преодолевать эту запорную зону). Так возникнет упорядоченное движение зараженных частиц, именуемое электрическим током.
4. Аккумулятор (накапливает и сохраняет энергию).
5. Контроллер заряда.
6. Инвертор-преобразователь (преобразование получаемого от солнечной батареи постоянного электрического тока в переменный ток).
7. Стабилизатор напряжения (предназначен для создания напряжения нужного диапазона в системе солнечной батареи).

Схема работы солнечной панелиФотоны света (солнечный свет), попадающие на поверхность полупроводника при столкновении с его поверхностью передают свою энергию электронам полупроводника. Выбитые вследствие удара из полупроводника электроны преодолевают защитный слой, имея дополнительную энергию.

Таким образом, отрицательные электроны покидают p-проводник, переходя в проводник n, положительные – наоборот. Такому переходу способствуют существующие в проводниках на тот момент электрические поля, которые в последствие увеличивают силу и разность зарядов (до 0.5 В в небольшом проводнике).

Намереваясь приобрести солнечную батарею или изготовить её, тщательно просчитайте:

• стоимость такой батареи и необходимого оборудования;
• необходимое вам количество электрической энергии;
• количество необходимых вам батарей;
• число солнечных дней в году в вашем регионе;
• необходимую вам площадь для установки солнечных батарей.

Устройство прожекторов с солнечными батареями

Прежде всего, следует отметить, что в прожекторах с солнечными батареями (гелиопрожекторах), в отличие от подключаемых к проводной сети переменного тока в качестве источника света, используются только светодиоды. Это может быть всего один LED либо панель, на которой их несколько штук или десятков. Уличные прожекторы, работающие от солнечных батарей, производят различного назначения, конструкций и моделей. Независимо от этого все они работают по одному принципу и состоят из следующих одинаковых основных модулей и узлов.

Светодиодный источник света. Конструктивно он мало чем отличается от аналогичного модуля прожекторов с другими типами ламп и представляет собой прочный корпус со стеклом или линзой, внутри которого имеется рефлектор (зеркальная отражающая поверхность, собирающая лучи света и концентрирующая их в определенном направлении) и непосредственно сам источник света (LED). Корпус, как и в устройствах с лампами, тоже выполнен с соответствующим классом защиты от влаги и пыли, зависящим от назначения и места установки прожектора.

Солнечная батарея или еще ее называют фотомодуль. Представляет собой несколько конструктивно объединенных фотоэлементов, которые преобразуют солнечную энергию, воспринимаемую ими, в постоянный электрический ток. Последний расходуется на работу светодиодов и зарядку аккумуляторных батарей.

Аккумулятор. Служит для накопления электрической энергии, поступающей от фотомодуля в течение светового дня, и обеспечения ею светодиодов в темное время суток и при недостаточном естественном освещении, когда солнечная батарея неспособна производить ток в нужном для работы LED количестве. В зависимости от модели и мощности гелиопрожектора аккумуляторов в нем может быть от 1-го до нескольких, включая дополнительные, предназначенные для обеспечения работы светодиодов на протяжении 5 ночей в случаях, когда погодные условия в светлое время суток не позволяют произвести полную зарядку 1-й батареи.

Прожектор с солнечной батареей

Контроллер. Управляет работой прожектора. Простейший его вариант – фотореле (датчик освещенности). Оно выполняет только 1 функцию – отслеживает уровень естественного освещения и, в зависимости от него, включает/выключает светодиоды. Чувствительность фотореле (уровень освещения, при котором оно срабатывает) регулируется.

Более сложные котроллеры, помимо этого, обеспечивают выполнение одной или нескольких функций, привиденных ниже. Позволяют задать нужное время работы светодиодов в темное время суток, оптимизируют процессы зарядки и разрядки аккумуляторных батарей, автоматически переключают гелиопрожектор на питание от подведенной электросети переменного тока, если это предусмотрено конструкцией осветительного устройства. В прожекторном оборудовании, обеспечивающем архитектурное, фасадное либо рекламное освещение, устанавливается программируемый контроллер. Он управляет работой светодиодов по заложенной в него программе и не только включает/выключает их, когда это требуется, но также регулирует интенсивность и изменение цвета излучения.

Гелиопрожекторы могут быть дополнительно оснащены ветрогенератором и датчиком движения. Первое устройство служит дополнительным источником электроэнергии, что особенно актуально в регионах с коротким световым днем и в случаях недостаточного естественного освещения из-за погодных условий. Датчиком движения оснащают прожекторы, предназначенные для установки в местах, где нет необходимости в постоянном непрерывном освещении. Он позволяет сократить расход электроэнергии аккумуляторов до минимума, включая светодиоды только в момент и на время появления в зоне своей «видимости» объектов, на которые настроен. Для этого надо правильно отрегулировать датчик движения прожектора.

Корпус гелиопрожектора. В зависимости от мощности и назначения осветительного устройства он может объединять все вышеперечисленные модули в себе либо источник света устанавливается в одном месте, а солнечная батарея с остальными комплектующими в другом. В любом случае, его исполнение у уличных прожекторов по уровню защиты от пыли и влаги имеет класс не ниже IP 65, для устанавливаемых на грунт – IP 67, подводного применения – IP 68, а для условий высокой взрывоопасности – в специальном взрывозащищенном корпусе.

Изобретение

Инсолятор О. МушоПервым, кто смог экспериментально обнаружить взаимодействие между светом и электрической энергией, был знаменитый немецкий физик Генрих Герц. Также известно, что явление, аналогичное открытому позднее фотоэффекту наблюдал и исследовал в 1839 г. Эдмон Беккерель.

Он сумел выяснить, что ультрафиолет значительно способствует возникновению и прохождению разряда между двумя проводниками электрической энергии. Однако, проведя ряд экспериментов, Герц не стал больше развивать эту тему.

Первую в мире, работоспособную схему по выработке и передаче электрической энергии с применением лучей света произвёл русский учёный из Москвы Александр Столетов. Он создал прообраз первого в мире фотоэлемента.

Француз Огюст Мушо в конце позапрошлого столетия сумел создать систему, при которой сфокусированные и преобразованные солнечные лучи приводили в движение печатную машину.

Это привело к появлению первых фотоэлементов на основе селена (Se – 34), а затем и таллия (Tl – 81). В 1930 гг. учёными-физиками Академии наук СССР был создан медно-таллиевый (Cu-Tl) фотоэлемент с наибольшим для тех времён КПД в 1%.

Появившиеся позднее фотоэлементы на основе Кремния (Si-14) имели в 6 раз больший КПД. В 1953 г. была разработана первая в мире солнечная батарея. Спустя всего 5 лет учёные СССР установили первые солнечные батареи на искусственный спутник Земли №3.

Третий искусственный спутник Земли (СССР, 15 мая 1958 г.) с солнечными батареями.В 1970-х гг. прошлого века учёные выяснили, что полупроводники лучше многих металлов образуют электрический ток из света. С тех пор появилось множество новых видов и материалов для производства солнечных батарей.

Именно открытие фотоэффекта, произведённое А. Эйнштейном, и привело к возникновению и развитию индустрии солнечных батарей.

Принцип действия

Принцип работы автомобиля на солнечных батареях основан на преобразовании солнечной энергии в электрическую, которая является источником питания электрического двигателя на солнечных батареях, устанавливаемого на автомобиле.

Принцип преобразования энергии солнца в электрическую энергию основан на «p-n проводимости», создаваемой в элементах солнечной батареи, изготавливаемой из двух слоев кремния, с добавлением различных веществ.

Процесс образования электрического тока приведен на ниже приведенной схеме: 

1. В верхний слой, при его изготовлении, добавляется фосфор, это «n» слой, а в нижний – бор, это «р» слой. На границе слоев образуется «р-n переход», который определяет «р-n проводимость» фотоэлемента, из определенного количества которых, состоит солнечная батарея.
2. Под воздействием солнечных лучей, в верхнем слое, образуется дополнительное количество отрицательно заряженных электронов, а в нижнем – положительно заряженных («дырок»). Наличие дополнительного количества разно заряженных частиц создает электрическое поле между слоями, образуется разность потенциалов. В этом случае, при наличии нагрузки между электродами, присоединенными к верхнему и нижнему слоям, в цепи протекает электрический ток, при этом отрицательно заряженные частицы движутся вверх, а положительно заряженные – вниз.

Если в качестве нагрузки подключить электрический двигатель, с установкой дополнительных электронных устройств, обеспечивающих нормальный режим работы в различных режимах эксплуатации и определенного количества аккумуляторов, отвечающих за запас электрической мощности, то подобная схема, может служить приводом для механической передачи, в том числе и для передвижения автомобиля.

Как выбрать подходящую модель?

Автономное уличное освещение для загородного владения выбрать не так просто. Этой операции «мешает» большое количество разнообразных моделей на прилавках магазинов. Даже приборы, выглядящие почти одинаково, могут иметь разную цену

Чтобы найти самую подходящую модель, надо обратить внимание на характеристики, обдумать, как и куда будет устанавливаться устройство

Мощность

Чтобы автономное уличное освещение давало необходимое количество света, надо учитывать площадь участка, а также число ламп, которые способны обеспечить отсутствие затемненных участков. В более привычных — обычных и люминесцентных — лампах многие разбираются без труда, однако эффективные светодиодные приборы имеют другие показатели.

Если мощность энергосберегающих (люминесцентных) изделий меньше, чем у обычных, в 5 раз, то светодиодные устройства имеют эту величину уже в 10 раз ниже. Например, светодиодные модели 4 Вт дают такой же световой поток, как приборы накаливания 40 Вт.

Класс защиты

Автономное уличное освещение, как и традиционное, будет работать надежно и без перебоев только в том случае, когда корпус (плафон) максимально защищен от влаги и пыли. Поэтому класс защиты IP44 — необходимое требование (больше — лучше, меньше — нельзя).

Отдельно надо сказать о материале. Прочность и устойчивость к механическим воздействиям — условия, обязательные для него. Самыми лучшими вариантами будут фонари, изготовленные из алюминия либо из ударопрочного пластика. Идеальное стекло — закаленная его разновидность.

Вид модели, способ монтажа

Первый определяет второй. При выборе способа монтажа обязательно учитывают то, какую площадь должен будет освещать прибор, насколько легко в выбранной точке принимать солнечные лучи, нет ли потенциальной опасности для модели. Есть несколько вариантов установки, все светильники делятся на такие конструкции:

Грунтовые. Эти устройства используют для освещения дорожек, а также в качестве декорации участка. Особенности конструкции — небольшая высота, наличие штыка, прикрепленного к стойке. С его помощью фонарь надежно фиксируют в грунте.
Светильники-столбы. Эти приборы — самые высокие, они могут быть полутораметровыми или выше. Большая масса требует надежного монтажа. Для таких конструкций выкапывают лунку, после фиксации светильника ее засыпают грунтом, его тщательно уплотняют. Есть модели, предназначенные для твердых покрытий — асфальта, плитки и т. п.
Настенные автономные фонари. Их выбирают для освещения придомовой территории, для декоративной подсветки стен, заборов

В этом случае монтаж уже более требователен: для настенного осветительного прибора важно правильное ориентирование по сторонам света. Солнечная батарея должна находиться там, где его больше.
Подвесные. Эти конструкции можно прикрепить в любом удобном месте

Фиксация может быть как гибкой (например, тросы), так и жесткой (кронштейны, балки). Главное условие для монтажа такое же, как и в предыдущем случае: максимум света на протяжении дня.
Встраиваемые. Их монтируют в одной плоскости с какой-либо поверхностью. Места для монтажа — ступеньки, края дорожек, зоны отдыха.
Декоративные. Основная их функция — украшение ландшафта. Их просто ставят в выбранное место.

Эти конструкции можно прикрепить в любом удобном месте. Фиксация может быть как гибкой (например, тросы), так и жесткой (кронштейны, балки). Главное условие для монтажа такое же, как и в предыдущем случае: максимум света на протяжении дня.
Встраиваемые. Их монтируют в одной плоскости с какой-либо поверхностью. Места для монтажа — ступеньки, края дорожек, зоны отдыха.
Декоративные. Основная их функция — украшение ландшафта. Их просто ставят в выбранное место.

Невообразимое количество моделей дает шанс выбрать то автономное уличное освещение, которое будет оптимальным — не слишком дорогим, но функциональным и эффектным.

При выборе модели надо обращать внимание на качество всех элементов. Например, долговечность такого оборудования зависит от аккумуляторной батареи. Дешевый прибор прослужит не слишком долго: он может потребовать замены спустя год

Никель-кадмиевые аккумуляторы, наоборот, будут работать 10-15 лет

Дешевый прибор прослужит не слишком долго: он может потребовать замены спустя год. Никель-кадмиевые аккумуляторы, наоборот, будут работать 10-15 лет.

Виды преобразующих панелей

Существует несколько видов батарей, отличающихся конструктивными особенностями, процентным соотношением преобразования солнечного света. Они обладают следующими характеристиками:

1. Панели на основе кремниевых фотоэлементов являются наиболее распространенными, представляют порядка 80% от общего объема создаваемых устройств. Добыча кремния и создание легирующего покрытия является дорогостоящей процедурой, но в настоящее время стоимость таких производственных процессов постепенно уменьшается. Кремний не является редким элементом земной коры. В ближайшем будущем именно батареи, основанные на нем, будут применяться повсюду. Существенный недостаток заключается в небольшом коэффициенте светопоглощения, т. к. кремний относится к непрямозонным полупроводникам. Готовые фотоэлементы в результате имеют увеличенную толщину, а устройство много весит.
2. Отличительная черта панелей тонкопленочного типа — повышенный в сравнении с предыдущим вариантом коэффициент светопреобразования. Фотоэлементы (прямозонные полупроводники) толщиной всего в пару микрон вырабатывают достаточное количество энергии. Масса обозначенных панелей незначительная, они часто устанавливаются на жилых домах, автомобилях. Основное преимущество тонкопленочных батарей заключается в возможности эффективно функционировать даже в пасмурную погоду.
3. Концентраторные модули отличаются самой большой эффективностью (порядка 45%), но их также отличает высокая цена. Конструктивно фотоэлементы представлены одновременно полупроводниками нескольких видов, выстроенных в определенной последовательности. Часто применимая схема представлена дорожкой-полупроводником Ge, верхним слоем GaInP, средним слоем GaAs. Такие пласты расположены особым образом, за счет чего солнечная энергия эффективно усваивается в пасмурную и в ясную погоду. Особенность заключается в сложной сборке концентраторных модулей, требующей максимальной точности.
4. Батареи органического типа находятся в разработке, в продаже их невозможно встретить. Их фотоэлементы работают аналогично фотосинтезу растений. На их поверхность нанесен тончайший слой светочувствительной краски.
5. Фотоэлектрические преобразователи, основанные на монокристаллическом кремнии (эффективность порядка 20%). В этом случае основу фотоэлемента представляет монокристалл из очищенного кремния, выращенный из специального кремниевого сплава. В готовом виде монокристаллы представлены стержнями кубической формы. Далее полученный куб разделяется на пластины не более чем в 180 Мк толщиной. Полученные детали тщательно очищаются, проходят процесс армирования специальным защитным слоем. Поверхность металлизируется, обрабатывается антирефлексивным веществом.
6. Фотоэлектрические панели, работающие на поликристаллическом кремнии (КПД — около 15%). Этот материал добывается при переработке кремниевого остывшего расплава. Процесс образования рабочих стержней продолжительный, т. к. расплав происходит при низкой температуре, но значительно проще в сравнении с формированием монокристаллов.
7. Батареи фотоэлектрического типа на аморфном кремнии (эффективность — 10%). Основной компонент добывается по принципу испарительной фазы, когда пленка из кремния закрепляется на несущем материале, армируется специальным компонентом для обеспечения защиты. Преимущество заключается в производстве панелей масштабных площадей, малой себестоимости. Из отрицательных моментов отмечается незначительный эксплуатационный ресурс, причиной чему служит ускоренная деградация.

Принцип работы солнечных батарей

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.

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.

Технические характеристики

Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:

• Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;
• Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;
• Контроллер уровня заряда аккумулятора.

Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.

Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.

(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)

Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.

Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.

Преимущества и недостатки

Солнечные батареи, так же как другие устройства обладают своими достоинствами и недостатками. К несомненным плюсам этих систем можно отнести следующие:

• Возможность автономной работы позволяет организовать питание объектов, электронных устройств и освещения, удаленных на значительное расстояние от стационарных электрических сетей.
• Значительная экономия денежных средств в процессе эксплуатации. Солнечный свет, превращающийся в электроэнергию, ничего не стоит и не требует дополнительных расходов. Платить приходится лишь за инверторы и аккумуляторные батареи, требующие периодической замены. И даже в этом случае солнечные панели окупятся примерно за 10 лет при среднем гарантийном сроке службы в 25-30 лет. При соблюдении всех правил эксплуатации, батареи смогут прослужить еще дольше.
• По сравнению с обычными электростанциями, потребляющими топливо и загрязняющими окружающую среду, схема работы солнечных панелей отличается экологической чистотой и отсутствием шума.

Тем не менее, данные устройства обладают и серьезными недостатками, которые следует заранее учитывать в предварительных расчетах:

• Высокая стоимость не только панелей, но и дополнительных компонентов – инверторов, контроллеров, аккумуляторных батарей.
• Окупаемость наступает слишком долго. Деньги в течение длительного времени оказываются извлеченными из оборота.
• Солнечные системы с фотоэлектрическими элементами требуют очень много места. Довольно часто для этих целей приходится задействовать не только всю крышу, но и стены здания, серьезно нарушая проектные дизайнерские решения. Дополнительное место необходимо аккумуляторным батареям с большой емкостью, которые в отдельных случаях могут занять целое помещение.
• Процесс вырабатывания электроэнергии происходит неравномерно, в зависимости от времени суток. Этот недостаток компенсируется аккумуляторными батареями, которые днем накапливают электроэнергию, а ночью отдают ее потребителям.

Критерии выбора светодиодного прожектора

Перед выбором светодиодного прожектора нужно понимать, где можно его использовать, какие у него критерии.

Требований, как правило, много. Светодиодный прожектор должен иметь высокую устойчивость ко многим внешним воздействиям, быть мощным, долговечным и надёжным.

Рассмотрим основные критерии ниже.

Сила светового потока

Подбирать мощный и яркий светодиодный прожектор нужно по многим критериям. Одним из них является световой поток. И, как правило, чем сильнее такой поток, тем ярче подсветка.

Нужно учитывать то, какую площадь будет освещать этот самый прожектор. И это можно выяснить через формулу Ф=E*S.

Обозначение:

1. Ф – световой поток (обозначение в люмен),
2. E – освещенность (люкс),
3. S – площадь объекта (квадратный метр).

Потребляемая мощность

Мощность – второй важный критерий при подборе будущего светодиодного прожектора. Чем меньше она, тем экономичнее прожектор, но менее ярким будет свет.

Прожектор на 200 Ватт подсвечивает территорию в 25 метров. 400 Вт подойдет для 50 метров. При этом галогенная лампа мощностью 500 Вт и светодиодная лампа на 50 Вт – одно и то же в плане мощности, но разные по дальности освещения.

Мощность всегда была важна при подборе лампы

Класс защиты от окружающей среды

Не менее важным критерием при подборе является защита корпуса от различного рода воздействий. Ведь такое оборудование, как светодиодный прожектор, должен большую часть времени или же все время находиться на улице, где он может попасть под любые осадки, например, тот же дождь или снег. Ведь если об этом не позаботиться, то устройство просто-напросто сломается.

Чтобы понять, есть ли защита такого рода, нужно найти обозначение в виде двух букв IP и цифры после них. Если вы нашли такую маркировку, нужно посмотреть на то, какие именно цифры там обозначены. Первая цифра – обозначение степени защиты от твердых частиц и пыли, вторая же касается защиты от воды.

Теперь разъясним место применения той или иной системы защиты прожекторов.

Если помещение не имеет отопления или погода без осадков, то ставят не слишком большую защиту от пыли и влаги (IP21-IP23). Достаточно защититься от конденсата. Когда речь идёт о промышленных объектах, то ставят там прожекторы с защитой IP50. Это значит, что у прожектора хорошая защита от пыли, но нет защиты от воды. Если же на тех объектах присутствует небольшая влажность, то ставят прожектор с защитой, как минимум, IP54. А вот когда все совсем плохо с точки зрения осадков (постоянные дожди и прочее), то ставят прожекторы с защитой IP67 или IP68. Оба варианта позволят не только защитить устройства от дождя или даже ливня, но и позаботиться о непопадании внутрь крупных частиц пыли.

Защищать прожектор нужно обязательно, если не хочется каждый месяц его менять

Срок службы

Светодиодные прожекторы всегда выделялись не только своим ярким светом, но и достаточно большим количеством рабочих часов. Как правило, отсчет начинается с 10000 часов, но сегодня можно встретить модели, работающие 50000 часов и даже больше.

Выбирая себе прожектор, нужно обязательно обратить внимание на то, какой у него эффективный срок эксплуатации. Для этого нужно найти обозначение L или LM и цифры после этих букв

Например, если на прожекторе есть обозначение L70 или LM70, то за своё время работы яркость у этого прожектора может упасть максимум до 70%.