Как функционирует солнечная батарея: устройство и принцип работы солнечных панелей

Преобразование бесплатной солнечной энергии в электричество, которое можно использовать для освещения домов и других объектов, – это мечта многих сторонников возобновляемых источников энергии.

Однако текущие технологии солнечных батарей и их коэффициент полезного действия не позволяют говорить о высокой эффективности этих систем. Наличие альтернативного источника электроэнергии было бы довольно полезным, не так ли? Особенно учитывая, что в России уже сегодня многие домохозяйства успешно используют солнечные панели для получения «бесплатной» электроэнергии. Не знаете, с чего начать?

В этой статье мы подробно рассмотрим, как устроена солнечная панель и какие факторы влияют на её эффективность. Кроме того, видеоролики, представленные в материале, наглядно продемонстрируют, как самостоятельно собрать солнечную панель из фотоэлементов.

Основные термины в области солнечной энергетики

Тематика солнечной энергетики содержит множество нюансов и может показаться запутанной. Новичкам часто непросто разобраться в многочисленных терминах. Тем не менее, чтобы начать заниматься гелиоэнергетикой и правильно выбирать оборудование для генерации солнечного тока, необходимо овладеть базовой терминологией.

Без понимания можно не только выбрать неподходящую панель, но и случайно повредить её при подключении или получить совершенно недостаточное количество энергии.

Комплекты из солнечных панелей используют для эффективного преобразования как бесплатной, так и неисчерпаемой энергии солнечных лучей.

Мини-электростанции на основе солнечных батарей обеспечивают электричеством объекты, которые не подключены к общей сети, а также дома в регионах с перебоями в подаче электроэнергии.

Системы, преобразующие ультрафиолетовые лучи в электричество, требуют минимального пространства и часто устанавливаются на крышах домов, хозяйственных строений, гаражей или беседок. Реже они располагаются на свободных участках без зависимых объектов и насаждений.

Солнечные панели – это незаменимые устройства для путешественников, позволяющие обеспечить электроэнергией отдалённые места.

Использование солнечной энергии позволяет существенно снизить расходы на содержание загородных объектов, и вполне реально собрать и установить экономически целесообразную систему своими руками.

Солнечные батареи, размещённые на яхтах, катерах или кораблях, обеспечивают необходимой электроэнергией для поддержания связи с берегом.

Портативная солнечная панель с аккумулятором минимизирует риски на удалении от удобств, гарантируя зарядку мобильных устройств для связи с близкими.

Лёгкие и компактные зарядные устройства на основе солнечных батарей, специально предназначенные для походов, обеспечивают питанием телефоны, рации, планшеты и другие медиа-устройства.

Первым делом необходимо изучить различные виды оборудования для гелиоэнергетики. Солнечные батареи и солнечные коллекторы — это два совершенно разных устройства, хотя оба они работают на основе солнечной энергии.

В случае солнечных батарей производится электричество, в то время как солнечные коллекторы получают тепловую энергию для отопления зданий.

Чтобы добиться максимальной отдачи от солнечной панели, важно понимать, как она работает, из каких компонентов состоит и как правильно её подключать.

Ещё одна важная деталь – это само определение термина «солнечная батарея». Обычно под этим словом подразумевают устройство для хранения энергии, как, например, радиатор. Однако солнечные батареи не накапливают энергию.

Солнечная панель производит постоянный электрический ток. Для преобразования его в переменный (который используется в быту), необходимо использовать инвертор.

Солнечные батареи предназначены исключительно для генерации электричества. Оно хранится в дополнительных накопителях, чтобы обеспечить дом электричеством в тёмное время суток, когда солнце заходит.

Термин «батарея» также может относиться к набору одинаковых компонентов, объединённых в единую конструкцию. На практике это просто панель, состоящая из нескольких одинаковых фотоэлементов.

Структура солнечной батареи

С течением времени солнечные батареи становятся всё более доступными и эффективными. В настоящее время они используются для зарядки аккумуляторов в уличных фонарях, смартфонах, электромобилях, частных домах и даже в космических спутниках. Создаются полноценные солнечные электростанции (СЭС) с внушительной производительностью.

Солнечная батарея состоит из множества фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей), которые превращают фотонную энергию солнечного света в электрическую.

Каждая солнечная батарея представляет собой блок, состоящий из определённого количества модулей, в которых размещены последовательно соединённые полупроводниковые фотоэлементы. Чтобы понять, как работает такая батарея, необходимо разобраться в функционировании конечного элемента в конструкции солнечной панели, который основан на полупроводниках.

Типы кристаллов фотоэлементов

Существует множество вариантов фотоэлементов, изготовленных из различных химических компонентов. Тем не менее, в настоящий момент в промышленности преобладают панели, основанные на кремнии.

Кремниевые полупроводники используются для производства солнечных батарей из-за низкой стоимости, хотя их КПД не самый высокий.

Обычный фотоэлемент в солнечной панели представляет собой тонкую пластину из двух слоев кремния, каждый из которых обладает своими физическими свойствами. Это классический p-n-переход с парами электронов и дырок.

Когда на фотоэлементы попадают фотоны, между слоями полупроводника из-за неоднородностей кристаллической структуры формируется вентильная фото-ЭДС, что приводит к разности потенциалов и образованию тока.

Кремниевые пластины фотоэлементов классифицируются по технологии производства на:

1. Монокристаллические.
2. Поликристаллические.

Монокристаллические элементы имеют более высокий КПД, но их производство обходится дороже, чем у поликристаллических. Различить их можно по форме на солнечной панели.

Для создания автономных электростанций используются солнечные панели, в состав которых входят полупроводниковые фотоэлементы.

Фотоэлементы делятся на моно- и поликристаллические в зависимости от методов производства и связанной с этим эффективности.

Монокристаллические фотоэлементы изготавливаются из цельного кристалла, созданного в лаборатории. Они имеют тёмный цвет и представляют собой прямоугольники с закруглёнными углами.

КПД фотоэлементов из монокристаллического кремния составляет 20-22%, однако они дороже поликристаллических аналогов.

Для автономной электростанции можно приобрести как отдельные фотоэлементы для самостоятельной сборки, так и готовые системы, подготовленные к установке.

Поликристаллические фотоэлементы производятся из кремния, полученного путём плавления и последующего остывания. Они имеют прямоугольную форму и светлый цвет, однако их производительность менее – до 18%.

Солнечные панели собираются из фотоэлементов обоих видов по единому принципу. В готовом модуле содержится 36 или 72 фотоэлемента.

Сборка как монокристаллических, так и поликристаллических элементов выполняется пайкой с обеих сторон. Они соединяются последовательно.

Монокристаллические фотоэлементы ориентированы, имеют однородную структуру, и их производство связано с высокими затратами, в то время как поликристаллические варианты изготавливаются из расплавленного кремния. Метод их получения проще, что и определяет более низкую стоимость.

Однако выход электроэнергии из солнечных лучей у поликристаллических элементов редко превышает 15%. Это связано с «нечистотой» кремниевых пластин и их внутренней структурой. В данном случае чистота p-слоя кремния напрямую влияет на КПД фотоэлементов.

Чистота монокристаллов значительно выше, так как они изготавливаются из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. КПД у таких фотоэлементов достигает 20-22%.

Для формирования общего модуля отдельные элементы крепятся на алюминиевой раме и покрываются прочным стеклом, которое не препятствует прохождению солнечных лучей.

Верхний слой фотоэлемента, обращённый к солнцу, также создаётся из кремния, однако с добавлением фосфора. Именно фосфор служит источником избытка электронов в системе p-n-перехода.

Революционным шагом в использовании солнечной энергии стали гибкие панели с аморфным фотоэлектрическим кремнием:

Галерея изображений

Процесс создания гибких солнечных панелей основывается на напылении слоев кремния на полимерную пленку или металлическую фольгу. Однако их коэффициент полезного действия (КПД) в два раза ниже по сравнению с кристаллическими аналогами.

Разработка гибких солнечных панелей значительно увеличила возможности их применения. Они также отличаются большей прочностью и меньшим весом по сравнению с монокристаллическими и поликристаллическими устройствами.

На рынке стали доступны портативные зарядные устройства, работающие на базе гибких батарей. Эти устройства имеют встроенный аккумулятор для накопления энергии.

Гибкие солнечные панели не имеют главного недостатка кристаллических фотоэлементов — хрупкости. Их можно смело брать с собой в походы, дальние путешествия и морские прогулки.

Гибкая версия солнечной батареи
Наклейка гибкого фотоэлемента на жалюзи
Зарядка для мобильных устройств на гибкой батарее
Устойчивая к механическому воздействию панель

Как работает солнечная панель

Когда солнечные лучи попадают на фотоэлемент, в нем образуются пары электронов и дырок. Избыточные электроны и «дырки» частично перемещаются через p-n-переход из одного слоя полупроводника в другой.

В результате во внешней цепи возникает электрическое напряжение. На p-слое формируется положительный полюс источника тока, тогда как на n-слое — отрицательный.

Разность потенциалов (напряжение) между контактами фотоэлемента вызвана изменением количества «дырок» и электронов с разных сторон p-n-перехода, что происходит из-за облучения n-слоя солнечными лучами.

При подключении фотоэлементов к внешней нагрузке в виде аккумулятора они образуют замкнутый контур. Таким образом, солнечная панель функционирует подобно колесу, по которому электроны «бегают», а аккумулятор постепенно накапливает заряд.

Стандартные кремниевые фотоэлектрические преобразователи представляют собой однопереходные элементы. В них електроны проходят только через один p-n-переход, который имеет ограниченную по энергии зону.

Следовательно, каждый такой фотоэлемент создает электроэнергию, только используя узкий диапазон солнечного излучения. Остальная энергия теряется. Поэтому КПД таких фотогальванических элементов остается низким.

Для повышения эффективности солнечных батарей в последнее время стали применять многопереходные (каскадные) кремниевые полупроводниковые элементы. В новых фотогальванических элементах используется несколько переходов, каждый из которых оптимизирован для своего спектра солнечного света.

Суммарная эффективность преобразования фотонов в электрический ток у таких систем в конечном итоге повышается. Однако и стоимость таких элементов также значительно увеличивается, создавая выбор между простотой и низкой ценой или же более высокой производительностью с высоким ценником.

Солнечные батареи могут работать как летом, так и зимой (им нужно световое излучение, а не тепло) — чем меньше облаков, тем больше электроэнергии генерирует солнечная панель.

При эксплуатации фотоэлемент и всё устройство постепенно нагреваются. Вся энергия, которая не идет на производство электричества, преобразуется в тепло. Часто температура на поверхности солнечной панели поднимается до 50–55 °C. Но с увеличением температуры, эффективность работы фотогальванического элемента снижается.

В итоге одна и та же модель солнечной батареи в жаркую погоду выдает меньше энергии, нежели в холодную. Максимальное КПД фотоэлементы показывают в ясный зимний день из-за наличия солнца и естественного охлаждения.

При этом даже если на панель попадет снег, она не перестанет генерировать электроэнергию. Более того, снежинки быстро растопятся под теплом нагретых фотоэлементов.

Эффективность солнечных батарей

Один фотоэлемент в полдень при ясной погоде вырабатывает совсем немного энергии, достаточно разве что для работы светодиодного фонарика.

Для повышения производительности несколько фотоэлектрических элементов объединяют параллельно для увеличения напряжения и последовательно для повышения силы тока.

Эффективность солнечных панелей зависит от:

• температуры окружающей среды и самой батареи;
• правильного выбора сопротивления нагрузки;
• угла падения солнечных лучей;
• наличия или отсутствия антибликового покрытия;
• интенсивности светового потока.

Чем ниже температура на улице, тем эффективнее работают фотоэлементы и солнечная батарея в целом. Это простое правило. В то же время расчет нагрузки более сложен — его следует подбирать в зависимости от вырабатываемого током панелью значения, которое меняется в зависимости от погодных условий.

Гелиопанели производятся с учётом выходного напряжения, кратного 12 В. Если требуется подать 24 В на аккумулятор, то к нему нужно параллельно подключить две панели.

Постоянное наблюдение за параметрами солнечной батареи и ручная корректировка ее работы может быть неудобна. В таких случаях лучше воспользоваться контроллером управления, который автоматически настроит параметры работы солнечной панели для достижения максимальной эффективности.

Идеальный угол падения солнечных лучей — 90 градусов. Однако при отклонении в пределах 30 градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего на 5%. При значительно большем угле всё больше света будет отражаться, тем самым снижая КПД фотоэлементов.

Если необходимо максимальное вырабатывание энергии летом, батареи следует установить перпендикулярно среднему положению Солнца во время равноденствий весной и осенью.

Для московского региона это примерно 40–45 градусов к горизонту. Если требуется максимум зимой, панель надо разместить почти вертикально.

Еще один важный аспект – пыль и грязь значительно снижают эффективность фотоэлементов. Фотоны не могут достигать их сквозь такую «грязную» преграду, и, следовательно, преобразовывать энергию не получится. Регулярная чистка панелей или правильная установка, чтобы дождь сам смывал пыль, необходимы.

Некоторые солнечные панели могут иметь встроенные линзы для концентрации солнечного излучения на фотоэлементах. В солнечную погоду это может повысить КПД. Однако в условиях сильной облачности такие линзы могут негативно сказаться на производительности.

Если обычная панель в таких условиях продолжит генерировать ток, пусть и в меньшем объеме, то линзовая модель почти полностью прекращает работу.

Солнечные лучи должны равномерно освещать всю панель. Если одна из ее областей находится в тени, то неосвещенные фотоэлементы становятся паразитной нагрузкой, которая не только не генерирует энергию, но и отбирает её у работающих элементов.

Панели следует устанавливать так, чтобы на пути солнечного света не оказалось деревьев, зданий и других объектов.

Схема солнечного электроснабжения для дома

Система солнечного электроснабжения состоит из:

1. Гелиопанелей.
2. Контроллера.
3. Аккумуляторов.
4. Инвертора (трансформатора).

Контроллер в данной системе обеспечивает защиту как солнечных панелей, так и аккумуляторов. Он предотвращает протекание обратного тока в ночное время и в пасмурные дни, а также защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда и разряда.

Аккумуляторные батареи для гелиопанелей должны подбираться одинаковыми по возрасту и ёмкости, иначе их зарядка и разрядка будут происходить неравномерно, что снизит срок службы.

Для преобразования постоянного тока на 12, 24 или 48 В в переменный 220-вольтовый нужен инвертор. Использовать автомобильные аккумуляторы в такой системе не рекомендуется, так как они не выдерживают частую перезарядку. Лучше приобрести специализированные гелевые AGM или заливные OPzS аккумуляторы.

Заключение и полезное видео на тему

Принципы работы и схемы подключения солнечных батарей вполне доступны для понимания. С собранными ниже видеоматериалами освоить все нюансы функционирования и установки гелиопанелей станет еще проще.

Узнайте, как работает фотоэлектрическая солнечная батарея, во всех подробностях:

Для глубокого понимания устройства солнечных батарей смотрите следующий видеоролик:

Сборка солнечной панели из фотоэлементов своими руками:

Каждый элемент в системе солнечного электроснабжения для коттеджа должен быть правильно подобран. Поскольку неизбежные потери мощности происходят на аккумуляторах, инверторах и контроллерах, их необходимо минимизировать, иначе даже невысокая эффективность солнечных панелей может снизиться до нуля.

Если у вас есть вопросы по материалу или полезная информация, которую вы хотели бы поделиться с нашими читателями, пожалуйста, оставляйте комментарии в блоке ниже.