Солнечные батареи: 3 вида

Отопление солнечной энергией домов

Принцип работы солнечной батареи для отопления дома кардинально отличает их от всех описанных выше приспособлений. Это совершенно другое устройство. Описание следует ниже.

Главной деталью отопительной системы, работающей на энергии солнца, является коллектор, принимающий его свет и преобразовывающий его в кинетическую энергию. Площадь этого элемента может варьироваться от 30 до 70 квадратных метров.

Для крепления коллектора используется специальная техника. Между собой пластины соединены металлическими контактами.

Следующим компонентом системы является накопительный бойлер. В нем происходит трансформация кинетической энергии в тепловую. Он участвует в нагревании воды, литраж которой может достигать 300 литров. Иногда такие системы поддерживаются дополнительными котлами на сухом топливе.

Завершают систему солнечного отопления настенные и напольные элементы, в которых по тонким медным трубам, распределенным по всей их площади, циркулирует нагретая жидкость. Благодаря низкой температуре запуска панелей и равномерности теплоотдачи, помещение прогревается достаточно быстро.

Как работает солнечное отопление

Давайте подробно рассмотрим принцип работы солнечных батарей от ультрафиолетового света.

По мере прохождения жидкости через слои системы кинетическая энергия преобразовывается в тепло, которое и используется для отопления дома. Этот процесс циркуляции носителя обеспечивает помещение теплом и позволяет сохранять его в любое время суток и года.

Как соединять солнечные батареи?

Последовательное соединение

Вот так выглядит параллельное соединение солнечный панелей. В этом случае суммируется выдаваемая сила тока, а напряжение остается таким же

параллельное соединение солнечных панелей

Параллельное соединение

Если же вы хотите увеличить напряжение, то следует соединять панели последовательно. В этом случае у вас напряжения, получаемые с каждой солнечной панели будут суммироваться.

последовательное соединение солнечных панелей

Последовательно-параллельное соединение

Если вы хотите увеличить и напряжение и выдаваемую силу тока, то в этом случае соединяют панели последовательно-параллельно

последовательно-параллельное соединение солнечных панелей

Лучшие среднебюджетные солнечные панели

Среднебюджетные модели солнечных батарей выдают сравнительно большое количество электроэнергии. Самыми лучшими представителями этого типа являются:

1. LP72-375M PERC. Оборудование сделано из очищенного монокристалла. КПД – 19,1%. Как для батареи этого класса, выдает достаточно большую мощность – 375 Вт.
2. LG NeOn 340 W. Одна из новых моделей популярного производителя. Панель составляется из 60 элементов. Мощность – 340 Вт, КПД – 19,8%.
3. AM72S03-375/PR 375 от JA Solar. Монокристаллическая модель от китайского производителя. Рамка сделана из алюминия. Максимальный КПД – 19,5%, мощность – 375 Вт.

Такие модели идеально подходят для домашнего использования. Средняя стоимость позволяет приобрести оборудование семьям со среднестатистическим доходом.

Лучшие солнечные панели премиум класса

Солнечные батареи экстра класса позволяют создать дома автономную электростанцию, при помощи которой можно обеспечить электричеством все хозяйственные потребности. Лучшими моделями этого класса являются:

1. SunForte PM096B00 333W от BenQ. На модуле расположено 96 клеток, которые дают 333 Вт мощности. КПД составляет 20,4%.
2. Seraphim Eclipse SRP-300-E11B (300 Вт). Состоит из 60 ячеек. Выработка площади на 15% выше, если сравнивать со стандартными моделями. Панель сделана из поликристаллов. Мощность составляет 300 Вт при максимальном КПД в 17, 64%.
3. JA Solar JAP6 60, 270Вт, 24В. Поликристаллическая батарея с КПД более 20%. Показывает высокую эффективность при рассеянном свете. Мощность – 270 Вт.

Эти солнечные панели обладают высокой мощностью, гарантируют бесперебойную работу, простые в облуживании. Однако, их стоимость в несколько раз превышает цену на обычные модели.

Из чего сделаны

Чтобы изучить устройство солнечной батареи, нужно разобраться в основных разновидностях, так как технология производства имеет существенные различия в зависимости от используемого сырья:

1. Батареи CdTe. Теллурид кадмия применяется при изготовлении пленочных модулей. Слоя в несколько сотен микрометров хватает для того, чтобы получить КПД порядка 11% или немного выше. Это откровенно низкий показатель, зато в пересчета на 1 Ватт мощности себестоимость электроэнергии получается как минимум на 30% дешевле, чем у традиционных вариантов из кремния. При том, что данная разновидность намного тоньше и легче.
2. Тип CIGS. Аббревиатура обозначает, что в состав входят медь, индий, галлий и селен. Получается полупроводник, который также наносится небольшим слоем, но в отличие от первого варианта тут эффективность на порядок выше и составляет 15%.
3. Типы GaAs и InP отличает возможность нанесения тонкого слоя в 5-6 мкм, при этом КПД будет составлять около 20%. Это новое слово в технологиях добычи электроэнергии из солнечного света. Благодаря высоким рабочим температурам батареи могут сильно нагреваться без потери эксплуатационных характеристики. Но из-за того, что при производстве используются редкоземельные материалы, себестоимость этого типа высока.
4. Батареи с квантовыми точками (QDSC). В них в качестве поглощающего материала для преобразования солнечной энергии используются квантовые точки вместо традиционных объемных материалов. За счет особенностей настройки запрещенных зон можно делать многопереходные модули, поглощающие солнечную энергию более эффективно.
5. Аморфный кремний наносится методом испарения и имеет неоднородную структуру. Он не отличается высокими показателями КПД, но однородная поверхность очень хорошо поглощает даже рассеянный свет.
6. Поликристаллические варианты изготавливаются путем плавления кремния и его охлаждения при определенных условиях, чтобы получить однонаправленные кристаллы. Одно из самых распространенных решений благодаря дешевизне производства и неплохим показателям КПД.
7. Монокристаллические элементы состоят из цельных кристаллов, разрезанных на тонкие пластинки и легированных фосфором. Самое долговечное решение, у которого низкие показатели деградации и срок службы, составляющий как минимум 30 лет, но чаще всего больше на 10-15 лет.

Батареи из теллурида кадмия – одни из самых выгодных по себестоимости киловатта электроэнергии.

Кстати! Эффективность того или иного варианта зависит от технологии производства, поэтому ее нужно уточнять.

Как используется солнечная энергия

Существует два основных способа преобразования солнечной энергии. После выполнения определенных действий она превращается в тепло и электричество. Именно первый вариант стал использоваться в первую очередь, при котором тепловая энергия солнца собиралась с помощью специальных коллекторов (рис. 1). Собранное тепло передается теплоносителю и далее осуществляется его практическое применение. Подобные системы используются для дома при устройстве отопления и подачи горячей воды. Во втором случае солнечная энергия напрямую превращается в электрическую. Данный процесс осуществляется с использованием физических свойств фотоэлектрических элементов. Эти качества похожи на природный фотосинтез, в результате которого солнечные лучи превращаются в другие виды материи. Действие солнечной батареи и производство электроэнергии происходит по аналогичной схеме в дневное и ночное время.

В данном случае все зависит от материала, используемого в солнечных панелях. В большинстве устройств применяется кремний, соединенный с медью, кадмием, индием. Полученные таким образом полупроводники, под влиянием света начинают вырабатывать электрический ток. Наиболее высокий КПД у фотоэлектрических панелей из монокристаллического кремния. Другие виды элементов – поликристаллические и аморфные, считаются менее эффективными, обладают более низким КПД и стоят значительно дешевле.

Определенное количество фотоэлементов объединяются вместе, и становятся общими работающими солнечными батареями. Кроме того, гелиосистема включает в себя инвертор для преобразования напряжения, контроллер для управления зарядкой-разрядкой, а также один или несколько аккумуляторов.

Контроллер заряда для солнечных батарей

У прямого подключения панели к аккумулятору есть недостатки:

• Аккумулятор с номинальным напряжением 12 В будет заряжаться только при достижении напряжения на выходе фотоэлементов 14,4 В, что близко к максимальному. Это значит, что часть времени батареи заряжаться не будут.
• Максимальное напряжение фотоэлементов – 18 В. При таком напряжении ток заряда аккумуляторов будет слишком большим, и они быстро выйдут из строя.

Для того чтобы избежать этих проблем необходима установка контроллера заряда. Самыми распространенными конструкциями являются ШИМ и МРРТ.

ШИМ-контроллер заряда

Работа ШИМ-контроллера (широтно-импульсная модуляция – англ. pulse-width modulation – PWM) поддерживает постоянное напряжение на выходе. Это обеспечивает максимальную степень заряда аккумулятора и его защиту от перегрева при зарядке.

МРРТ-контроллер заряда

МРРТ-контроллер (Maximum power point tracker – слежение за точкой максимальной мощности) обеспечивает такое значение выходного напряжения и тока, которое позволяет максимально использовать потенциал солнечной батареи вне зависимости от яркости солнечного света. При пониженной яркости света он поднимает выходное напряжение до уровня, необходимого для зарядки аккумуляторов.

Такая система есть во всех современных инверторах и контроллерах зарядки

Из чего состоит солнечная батарея третьего поколения

Принцип действия панелей 3-го поколения по-прежнему фотоэлектрический, но конструкция принципиально иная. Полупроводниковые материалы в них, за исключением квантовых точек, не используются вовсе, уступая место органике и полимерам.

Такие батареи часто не имеют ни рамы, ни защитного стекла, печатаются на 3D-принтерах либо изготавливаются методом травления, подобно компьютерным платам.

Главное их достоинство – фантастическая дешевизна производства, широчайшие возможности геометрии и прозрачность. Третье поколение – это панели ближайшего будущего, которые будут повсеместно встраиваться в дома, окна, одежду и даже мельчайшие бытовые предметы.

Основной недостаток на сегодня – низкий КПД, составляющий от 0,1 до 7%.

Полупроводниковые материалы – из чего делают солнечные батареи сегодня

Основными полупроводниковыми материалами, которые используются для производства 99% фотоэлектрических ячеек на современном мировом рынке, являются:

1. Монокристаллический кремний — Выращивается в виде крупных кристаллов по методу профессора Чохральского. Далее кремниевые цилиндрические «чушки» режутся на очень тонкие диски толщиной 0,2-0,4 мм и подвергаются специализированной химической обработке. Практически готовые ячейки обтачиваются, шлифуются, покрываются защитным покрытием и металлизируются. При желании сделать солнечную батарею своими руками такие фотоэлектрические элементы покупаются в магазине, а остальные детали моноблока изготавливаются самостоятельно из подручных материалов.
2. Поликристаллический кремний — Производится в металлургических тиглях более дешевым методом направленной кристаллизации (block-cast). После расплава кремниевого сырья его медленно остужают, что приводит к образованию «игольчатых» разнонаправленных кристаллов. В эксплуатации такая поверхность чуть хуже монокристалла при идеальной освещенности, но более эффективна в остальных случаях. По этой причине, устанавливая комплект батарей на крышах, на южные скаты часто монтируют Mono-Si, а на юго-западные и юго-восточные – Poli-Si.
3. Аморфный кремний – из чего делают солнечные батареи этого типа Основой батарей данного типа служит гидрогенезированный кремний с большим коэффициентом лучевого поглощения. Современные модели комбинируют из нескольких слоев, обогащенных германием и углеродом. Это позволяет устранить главный недостаток панелей a-Si – быструю деградацию ячеек.

Такая модификация носит название уже не аморфного, а микроморфного кремния и показывает КПД до 12%. Низкая эффективность компенсируется дешевизной производства, поскольку на такие ячейки элементов требуется в 200 раз меньше полупроводника чем для Mono-Si или Poli-Si.

Напряжение

Как правило, панели выпускаются с выходным напряжением 12 В. Но для заряда аккумуляторов необходимо иметь в системе напряжение выше, чем из рабочее, да и преобразование из постоянного в переменное выгоднее по КПД производить с более высоких значений.

Какое выходное напряжение на Ваших солнечных панелях?

12 В / 24 В36 В / 48 В

Поэтому принята стандартная практика использовать напряжения:

• 12 В для систем с потреблением на более 1 кВт.
• 24 В или 36 В – при потреблении до 5 кВт.
• 48 В – при мощности свыше 5 кВт.

Для получения таких напряжений используют последовательное включение панелей (наборов панелей).

Принцип работы солнечных панелей

Подавляющее большинство солнечных панелей являются в физическом смысле фотоэлектрическими преобразователями. Электрогенерирующий эффект возникает в месте полупроводникового p-n перехода.

Именно кремниевые пластины составляют основу себестоимости солнечных панелей, но при их использовании в качестве круглосуточного источника электроэнергии придется дополнительно купить дорогостоящие аккумуляторные батареи

Панель состоит из двух кремниевых пластин с различными свойствами. Под действием света в одной из них возникает недостаток электронов, а в другой – их избыток. Каждая пластина имеет токоотводящие полоски из меди, которые подсоединяются к преобразователям напряжения. Промышленная солнечная панель состоит из множества ламинированных фотоэлектрических ячеек, скрепленных между собой и закрепленных на гибкой или жесткой подложке.

КПД оборудования зависит во многом от чистоты кремния и ориентации его кристаллов. Именно эти параметры пытаются улучшить инженеры последние десятилетия. Основной проблемой при этом является высокая стоимость процессов, которые лежат в основе очищения кремния и расположения кристаллов в одном направлении на всей панели.

Ежегодно максимальные КПД различных солнечных панелей изменяются в большую сторону, потому что в исследования новых фотогальванических материалов вкладываются миллиарды долларов

Полупроводники фотоэлектрических преобразователей могут изготавливаться не только из кремния, но и из других материалов. Принцип их работы при этом не изменяется.

Устройство солнечных батарей

Солнечная батарея – это набор фотоэлементов. Эти полупроводниковые (фотоэлектрические) устройства, объединенные в панели, преобразуют энергию солнечных лучей непосредственно в постоянный ток.

Конструктивно гелиопанель (она представлена схематически ниже на фото) в общем виде состоит из следующих частей:

• рамки;
• стеклянного покрытия;
• фотоэлементов;
• токопроводящих металлических контактов;
• основы (обратной стенки);
• пленки из полимерного материала.

Устройство гелиопанели

Корпус (рамка, основа, стеклянное покрытие) предназначены для фиксации фотоэлементов, защиты их от разрушительного воздействия внешней среды. Каркасные детали изготавливают из диэлектрических материалов. Фотоэлементы к корпусу крепятся таким способом, чтобы их замена была возможной.

Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на сегодняшний день изготавливают из различных химических элементов. Но широкое промышленное распространение получили кремниевые фотоэлементы. Эти пластины состоят из двух, отличающихся физическими свойствами, слоев кремния.

Кремний – это полупроводник. Каждый слой батареи имеет свои особенности:

• внешний слой фотоэлектрического преобразователя содержит избыточное количество электронов (n-слой) – выступает в роли катода (отрицательного полюса);
• во внутреннем слое электронов не хватает (p-слой) – является анодом (положительным полюсом).

В результате неоднородности (разного типа проводимости) кремниевых полупроводниковых слоев ФЭП между ними устанавливается р-n переход. Возникает электронно-дырочная проводимость.

Неоднородность слоев фотоэлемента достигается несколькими способами:

• добавлением в один и тот же полупроводниковый материал разнообразных примесей (легирование);
• соединением разных по свойствам полупроводников;
• изменением состава;
• комбинированием нескольких способов.

Коэффициент полезного действия (КПД) заводских ФЭП в среднем составляет 16 %. Эффективность лабораторных моделей достигла почти 45 %. Идет процесс усовершенствования гелиопанелей.

Пиковая нагрузка и среднесуточное энергопотребление

Количество зависит от нескольких критериев. Например, мощность сети электропотребления и расположение модуля. На основании этого подбирается инвертор. Количество панелей также напрямую зависит от региона – чем меньше поступает радиации на поверхность, тем выше суммарная площадь панелей.

Для этого необходимо рассчитать количество пиковых часов за сутки (время, при котором уровень солнечной энергии не падает ниже отметки в 1000 Вт/м2). Затем на основании полученных расчетов определяется суммарную мощность электростанции, в зависимости от мощности одного фотоэлемента за время пиковой нагрузки.

Посмотрите обучающие видео: Как вычислить мощность солнечной системы для частного дома?

Исторический контекст

В течение XIX века вместе со множеством исследований в области электричества развивалась и фотохимия. В 1839 году Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект, показав, что свет может напрямую превращаться в электричество. Разумеется, эффективность такого преобразования зависит от улавливающего материала. Первый рабочий образец солнечной батареи был создан в 1883 году американским инженером Чарльзом Фриттсом, изготовившим из селена первую миниатюрную солнечную панель. При этом он опирался на случайное открытие другого американского ученого, Уиллоби Смита, в 1873 году участвовавшего в прокладке трансатлантического телеграфного кабеля и обнаружившего, что электропроводность селеновых стержней возрастает, если на них падает свет. КПД селеновой батареи Фриттса составлял 1%.

Тем не менее, такие устройства оставались лабораторными изысками вплоть до 1912 года, когда ими занялся итальянский химик армянского происхождения Джакомо Луиджи Чамичан. Тогда, выступая на 8-м Международном химическом конгрессе, он заявил:

«На засушливых землях будут возникать промышленные колонии без дымящихся труб; леса стеклянных трубок будут распространяться на равнинах, и стеклянные здания будут расти везде; внутри них будут проходить фотохимические процессы, которые до настоящего времени были неведомой тайной растений, но всё это будет освоено человеческой цивилизацией, которая будет знать, как получить ещё более обильные плоды… И если в недалёком будущем запасы угля будут полностью исчерпаны, цивилизация не пропадёт, а будет существовать до тех пор, пока светит солнце!»

Таким образом, еще до первой мировой войны осознавалась важность солнца в качестве источника энергии, но широкое использование солнечных батарей оставалось невозможным до решения, как минимум, двух фундаментальных проблем:

1. Повышения фотохимической эффективности фотоэлемента.

2. Коррекции отражательных показателей батареи, так, чтобы она поглощала достаточное количество света, но при этом не перегревалась.

Кратко остановлюсь на том, из чего состоит современная солнечная батарея.

Солнечная батарея является многослойной конструкцией, состоящей (сверху вниз) из следующих элементов:
1) Рама
2) Закаленное стекло
3) Шинопроводы (электропроводящие полоски)
4) Фотоэлемент на основе кремния. Как правило, изготавливается из кварца
5) Алюминиевая подложка
6) Распределительная коробка

Итак, в 1948 году инженеры «Bell Laboratories» Кельвин Соулзер Фуллер, Дэрил Чейпин и Джеральд Пирсон продемонстрировали первую коммерчески выгодную модель солнечной батареи с КПД 6%. Уже в 1958 году солнечными батареями были оснащены первые космические аппараты – американский «Авангард-1» и советский «Спутник-3». К началу XXI века (в 2007 году) компания General Electric добилась от солнечных батарей КПД 16% и более, но фундаментальные проблемы до сих пор не позволяют этим устройствам полноценно заменить ТЭЦ и прочие генераторы электричества, работающие на ископаемом топливе. В жарких засушливых областях, которые мечтал застелить солнечными батареями Чамичан, просто живет не так много людей и не развернуто серьезной промышленности, которую можно было бы питать солнечной энергией. А в густонаселенных областях умеренного пояса не хватает свободных площадей под солнечные батареи. Кроме того, чтобы сравниться с растениями в эффективности сбора солнечной энергии, необходимо реализовать искусственный фотосинтез или его аналог, возможно – приблизить фотоэлементы по свойствам к искусственным хлоропластам, которые улавливали бы свет в максимально широком спектре.

Что потребуется для преобразования солнечной энергии?

Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую и электрическую. Самые первые шаги в использовании энергии солнца человек сделал именно в направлении получения тепла. Можно сказать, что в этом случае и преобразования нет. Принцип работы прост. Он заключается в сборе солнечного тепла. Поэтому и устройства для этого называются солнечные коллекторы. Принцип работы таких установок заключается в сборе тепла с помощью абсорбера и передачи его теплоносителю. В качестве последнего выступает вода или воздух. Такие установки часто используются для отопления и горячего водоснабжения частных домов. Второй вариант использования солнечной энергии – это преобразование её в электричество.

Фотоэлектрический элемент

как организмы используют солнечную энергию

• Монокристаллические;
• Поликристаллические;
• Аморфные.

гибкие солнечные панелиВ результате цена ниже, но КПД оставляют желать лучшего (5─6%).

Фотоэлементы в солнечной батарее

Фотоэлектрические элементы объединяются в солнечную батарею. Как правило, число фотоэлементов в батарее кратно 36, но есть и другие варианты. Помимо солнечной батареи в состав гелиосистем входят и другие устройства для того, чтобы накапливать и распределять электроэнергию. В частности, это:

• Аккумулятор (один или несколько);
• Инвертор (преобразует напряжение из 12 или 24 в 220 вольт);
• Контроллер для управления зарядом-разрядом аккумулятора и подачи питания в сеть.

Солнечные батареи малой мощности (до десяти ватт) применяются в мобильных гаджетах или power bank для зарядки. Системы больше мощности используются для электрификации частных домов и дач.

Принцип работы солнечной батареи

Конструкция солнечной панели

Вначале разберемся с самими солнечными панелями. Эти панели представляют собой модуль, который и производит преобразование солнечной энергии в электрическую.

Рекомендации по установке солнечной батареи дома

Они выполнены в виде прямоугольников с небольшой толщиной. Это позволяет монтировать их на любую прямую поверхность – стены дома, крыша.

Конструкция классических модулей, которые сейчас являются самыми распространенными, такова: имеется остов модуля, сделанный из анодированного алюминиевого профиля.

Внутри этого остова располагаются ячейки с полупроводниковыми пластинами, состоящими из кристаллического кремния. Все ячейки соединены между собой проводкой.

С фронтальной стороны для предотвращения повреждения ячеек их прикрывает закаленное стекло.

Сверху этого стекла, а также с тыльной стороны нанесена ламинирующая пленка, которая делает модуль герметичным, и предотвращает проникновение влаги внутрь.

Выработанная каждой ячейкой электроэнергия по проводам передается на распределительную диодную коробку, от которой она уже идет дальше.

Стандартным считается модуль с 36 ячейками, каждая из которых вырабатывает 0,5 В. Выпускаются также модули на 72 ячейки, которые обеспечивают на выходе из диодной коробки 24 В.

Конструктивные особенности

Прожекторы на солнечных батареях, равно как и любой другой вид осветительных приборов, действующих на базе природного излучения, а также солнечные панели, как источник электрического тока, функционируют на основе фотоэлектрических элементов. Преобразование естественного света в электроэнергию происходит посредством p-n перехода. Величина электрических параметров (тока и напряжения) будет напрямую зависеть от интенсивности падающего на поверхность батареи излучения.

Схема работы

Именно поэтому прослеживается вполне логичная связь между размерами батареи, а также ее производительностью. Соответственно, прожекторы, работающие на солнечных тепловых батареях, позволяют освещать довольно большие территории, так как функционируют на базе мощных панелей. КПД подобных устройств зависит еще и от материала, из которого изготовлена батарея, а также от технологии ее производства.

Конструкция таких приборов состоит из следующих элементов:

• Непосредственно сама солнечная батарея, продуцирующая постоянный электрический ток;
• Аккумулятор;
• Контроллер для управления зарядом солнечной батареи;
• Инвертор, задача которого заключается в преобразовании постоянного тока в переменный эквивалент, что позволяет подключать различную технику на обслуживаемом объекте.

Особенностью источника питания данного рода является возможность подключения параллельно или последовательно. В первом случае на выходе получается большое значение напряжения, во втором – увеличивается значение тока.

Чтобы увеличить мощность такого устройства используется модульная конструкция, как, например, для обслуживания крупного объекта. При этом выполняется подключение нескольких батарей сразу. А вот прожекторы на солнечных батареях функционируют от единственного источника питания, который должен быть полноразмерным для получения на выходе большой мощности, так как такие осветительные приборы используются для обслуживания больших территорий.

Выводы и полезное видео по теме

Представленные видеоролики показывают работу различных солнечных панелей в реальных условиях. Также они помогут разобраться в вопросах выбора сопутствующего оборудования.

Правила выбора солнечных панелей и сопутствующего оборудования:

Виды солнечных панелей:

Тестирование монокристаллической и поликристаллической панелей:

Для населения и небольших промышленных объектов реальной альтернативы кристаллическим кремниевым панелям пока что нет. Но темпы разработки новых типов солнечных батарей позволяют надеяться, что в ближайшие десятилетия энергия солнца станет главным источником электроэнергии во многих загородных домах и дачах.