Принципы работы солнечных батарей и как они устроены

Как рабо­тают сол­неч­ные батареи другими словами

Сол­неч­ная бата­рея рабо­тает сле­ду­ю­щим образом.

1. Фотоны уда­ря­ются о поверх­ность сол­неч­ной бата­реи и погло­ща­ются её рабо­чим мате­ри­а­лом, напри­мер крем­нием.
2. Фотоны, стал­ки­ва­ясь с ато­мами веще­ства выби­вают из него его род­ные элек­троны. В резуль­тате чего воз­ни­кает раз­ность потен­ци­а­лов. Сво­бод­ные элек­троны начи­нают дви­гаться внутри веще­ства, чтобы пога­сить раз­ность потен­ци­а­лов. Воз­ни­кает элек­три­че­ский ток. Так как сол­неч­ная бата­рея это полу­про­вод­ник, элек­троны дви­жутся только в одном направ­ле­нии.
3. Получаемый ток солнечная батарея преобразует в постоянный и отдает его потребителю или аккумулятору.

Технология, по которой изготовлена солнечная батарея, влияет на её КПД 

Считается, что в идеале солнечная батарея имеет близкий к 20 % КПД. Однако на практике и по данным специалистов он примерно равен всего 10 %, при том, что для каких солнечных батарей больше, для каких то меньше. В основном это зависит от технологии, по которой выполнен p-n переход. Самыми ходовыми и имеющими наибольший процент КПД продолжают являться солнечные батареи, изготовленные на основе монокристалла или поликристалла кремния. Причем вторые из-за относительной дешевизны становятся все распространеннее. К какому типу конструкции солнечная батарея относится можно определить невооруженным глазом. 

Монокристаллические светопреобразователи имеют исключительно чёрно-серый цвет, а модели на основе поликристалла кремния выделяет синяя поверхность. Поликристаллические солнечные батареи, изготавливаемые методом литья, оказались более дешевыми в производстве. Однако и у поли- и монокристаллических пластин есть один недостаток — конструкции солнечных батарей на их основе не обладают гибкостью, которая в некоторых случаях не помешает. 

Ситуация меняется с появлением в 1975 году солнечной батареи на основе аморфного кремния, активный элемент которых имеет толщину от 0,5 до 1 мкм, обеспечивая им гибкость. Толщина обычных кремниевых элементов достигает 300 мкм. Однако, несмотря на светопоглощаемость аморфного кремния, которая примерно в 20 раз выше, чем у обычного, эффективность солнечных батарей такого типа, а именно КПД не превышает 12 %. Для моно- и поликристаллических вариантов при всем этом он может достигать 17 % и 15 % соответственно. 

Материал, из которого изготовлены пластины, влияет на характеристики солнечных батарей 

Чистый кремний в производстве пластин для солнечных батарей практически не используется. Чаще всего в качестве примесей для изготовления пластины, вырабатывающей положительный заряд, используется бор, а для отрицательно заряженных пластин мышьяк. Кроме них при производстве солнечных батарей все чаще используются такие компоненты, как арсенид, галлий, медь, кадмий, теллурид, селен и другие. Благодаря ним солнечные батареи становятся менее чувствительными к перепадам окружающих температур. 

В современном мире отдельно от других устройств солнечные батареи используются все реже, чаще представляя собой так называемые системы. Учитывая, что фотоэлектрические элементы вырабатывают электрический ток только при прямом воздействии солнечных лучей или света, ночью или в пасмурный день они становятся практически бесполезными. С системами на солнечных батареях всё иначе. Они оборудованы аккумулятором, способным накапливать электрический ток днем, когда солнечная батарея его вырабатывает, а ночью, накопленный заряд может отдавать потребителям.

Установка солнечных батарей на крыше

После того как сборка солнечной батареи из набора пластин была выполнена или вы приобрели готовые модули следует произвести их монтаж на крышу.

Установка происходит в 3 этапа:

1. Выбор места.
2. Поднятие их на верх или постановка туда где желаете разместить.
3. Крепление солнечных батарей к поверхности.

Виды мест для установки солнечных батарей:

1. Крыша.
2. Стены.
3. Территория в несколько квадратных метров земли.
4. Фасады.
5. Балконы.

Батарею следует устанавливать на юг, юго-восток и юго-запад. Лучше всего поставить элемент питания на следящую за солнцем поверхность. Автомат будет постоянно направлять батарею в сторону солнца.

Угол установки солнечных батарей достаточно варьирует он находится в пределах 15-90. Но здесь все сугубо зависит от местности проживания. Например, в Европейской части России градусная кривая будет от 30-60.

Наклон так же зависит от крыши. Поэтому учитывайте это в расчетах.

На данный момент изготавливается несколько крепежных приспособлений:

1. Свободностоящие – крепятся с помощью дополнительных установок.
2. Наклонные – идеальны для скатных крыш.
3. Встроенные фотоэлектрические панели в шифер или здание. Могут выполнять двоякую функцию. Защищают и дают электричество. То есть черепица батарейка!

Крепежные материалы изготавливаются из металла часто из алюминия. Встречаются так же из стали и оцинкованного железа.

Пара советов по установке

1. Прежде чем монтировать следует все просчитать. Поставьте на компьютер специальную программу и выполните расчеты в ней.
2. Избегайте не аккуратного обращения с батареями. Они достаточно хрупкие. Чтобы спасти элементы зимой от осадков можно поставить снегозадержатели или рассекатели снега.
3. Не допускайте попадания влаги в АКБ.
4. Следует серьезно отнестись к креплениям конструкции. На их долю выпадает нагрузка не только от солнечных батарей, но и погодных напастей.

Из начально следует установить на крушу специальные крепления профили из алюминия. Они прикрепляются специальными зажимами к шиферу. Установка солнечных батарей может быть выполнена своими руками

Важно помнить, что полюса должны тянуть от себя два провода

Если нет желания самостоятельно возиться с монтажом энергоустановки, тогда можно заказать это дело под ключ! Благо компаний сейчас хватает. Без проблем они поставят панели на дом, дачу, коттедж или балкон. Причем установка будет выполнена правильно по всем нормам.

Схема установки солнечных батарей для дома

После того как плоский солнечный источник питания будет полностью установлен на черепицу можно приступать к электрификации.

Выделяют два типа соединений элементов тока.

Это когда батарея идет одна за другой и положительный вывод цепляется к отрицательному.

Параллельное соединение солнечных батарей

Данное соединение так же реализуемо. Лучше всего подсоединить провода последовательно и подать их на преобразователь. Главное в этом деле соблюдать полярность.

Подключение солнечной батареи к аккумулятору схема

Все присоединение выполняется через контроллер. Только через него можно цеплять батареи к АКБ.

Поступивший ток с солнечных батарей переходит в контроллер. Далее обрабатывается и подается на нагрузку в 12 вольт. Часть его из отдельного разъема поступает на клеймы аккумулятора. С АКБ ток идет на инвертор, а после него он поступает в розетку дома. Только после такой сложной процедуры хозяин может подключить имеющиеся у него приборы. Заметьте в двух местах электричество поступает через предохранитель. Это нужно для увеличения уровня безопасности при перегрузках.

Характеристики кремниевых солнечных батарей

Кварцевый порошок — это сырьевой материал для кремния. Данного материала на Урале и Сибири очень много, поэтому именно кремниевые солнечные панели есть и будут в большем обиходе, чем остальные подтипы.

Монокристалл

Монокристаллические пластины (mono–Si) содержат в себе синевато–темный цвет, равномерно размещенный на всей пластине. Для таких пластин применяется максимально очищенный кремний. Чем он чище, тем солнечные батареи имеют КПД выше и самую наибольшую стоимость на рынке таких устройств.

Преимущества монокристалла:

1. Наивысший КПД — 17–25%.
2. Компактность — задействование сравнительно с поликристаллом меньшей площади для развертывания оснащения в условиях тождества мощности.
3. Износостойкость — бесперебойная работа выработки электроэнергии без замены основных комплектующих обеспечивается за четверть века.

Недостатки:

1. Чувствительность к пыли и грязи — осевшая пыль не дает батареям работать со светом от светила и соответственно уменьшает КПД.
2. Высокая цена равна увеличенному сроку окупаемости.

Так как mono–Si нуждаются в ясной погоде и лучах Солнца, панели устанавливаются на открытых местах и поднятые на высоту. Насчет местности, то предпочтение отдается местности, в которой ясная погода обыденность, а количество солнечных дней приближено к максимальному.

Поликристалл

Поликристаллические пластины (multi–Si) наделены неравномерным синим окрасом из–за разнонаправленности кристаллов. Кремний не настолько чист, как в используемых mono–Si, поэтому КПД несколько ниже, вместе со стоимостью таких солнечных батарей.

Положительные факты поликристалла:

1. Коэффициент полезного действия 12–18%.
2. При неблагоприятной погоде КПД лучше, чем у Mono–Si.
3. Цена данного агрегата меньше, а сроки окупаемости намного ниже.
4. Ориентация на солнце не принципиальна, поэтому можно размещать их на крышах различных строений.
5. Длительность эксплуатации — эффективность поглощения энергии и аккумулирования электричества падает до 20% спустя 20 лет непрерывной эксплуатации.

Недостатки:

1. КПД уменьшен до 12–18%.
2. Требовательность к месту. Для развертывания нормальной станции выработки электроэнергии нужно больше места, чем при задействовании батареи из монокристалла.

Аморфный кремний

Технология производства панелей существенно отличается от предыдущих двух. В приготовлении задействованы горячие пары, опускающиеся на подложку без образования кристаллов. При этом используется меньше производственного материала и это учитывается при формировании цены.

Преимущества:

1. Коэффициент полезного действия — 8–9% во втором поколении и до 12% в третьем.
2. Высокий коэффициент полезного действия при не совсем солнечной погоде.
3. Возможность использования на гибких модулях.
4. Эффективность батарей не падает вниз при повышении температуры, что позволяет монтировать их на всякие поверхности с нестандартной формой.

Основным недостатком можно считать меньший КПД (если сравнивать с иными аналогами), в связи с чем требуется большая площадь для получения сопоставимой отдачи от оборудования.

Действующее напряжение

Наиболее часто встречаемый номинал аккумуляторной батареи — кратный 12 В. Такие компоненты гелиостанции, как контроллер, инвертор, солнечные модули рассчитаны на напряжение от 12 до 48 В. Присутствие 12 В аккумуляторов удобно тем, что при выходе их из строя, замену можно выполнить по одному.

При напряжении вдвое большем, исходя из специфики эксплуатации АБ, возможна только замена пары. В сети 48 В на одной ветке придется менять все четыре батареи, к тому же 48 В — это уже угроза с точки зрения электробезопасности. С другой точки зрения, чем выше напряжение, тем меньшего сечения провода потребуются, а контакты будут более надежными.

При выборе номинала нужно учитывать как мощностные характеристики инверторов, так и значение пиковой нагрузки:

48 В — от 3 – 6 кВТ;

24 или 48 В — от 1,5 – 3 кВт;

12, 24, 48В — до 1, 5 кВт.

Если емкость и цена АБ примерно равны, выбор следует остановить на аккумуляторе с наивысшей допустимой глубиной разряда и наибольшей разрешенной величиной тока. Ресурс АБ значительно повышается, когда этот показатель не превышает 30 – 50%.

Оптимизация полученных значений

Если идет речь о создании на 100% автономной системы, здесь солнечное электричество вырабатывается довольно дорого. В этом случае, исходя из данных, занесенных в спецификацию, лучше оставить в перечне только приборы с энергосберегающими характеристиками — если это лампы, то светодиодные или люминесцентные, если холодильник, то класса А, а еще лучше А++ .

Приборы, которые не относятся к разряду самых необходимых, выгодней питать от генератора. Когда гелиостанция — резервный вариант, то при временном отсутствии централизованной подачи электропитания, также лучше не использовать энергоемкую технику до момента, пока ситуация не нормализуется.

Солнечная электростанция будет работать стабильно в безаварийном режиме, если нагрузки выровнять по максимуму, исключить возможность резких временных провалов электропотребления. Опираясь на эти критерии, можно выбрать для своей солнечной установки экономичные варианты составляющих ее модулей. Полнее раскрыть всю картину поможет график.

На нем четко можно проследить неравномерность потребления электроэнергии и сделать так, чтобы пиковые нагрузки приходились на период, когда солнце наиболее активно.

На данном графике вы сможете отследить как неравномерно энергопотребление: нам нужно – сдвинуть максимумы на время наибольшей активности солнца и снизить потребление электроэнергии в сутки, особенно ночью.

Оптимизировать нерациональный график энергопотребления можно на базе спецификации, снизив как суточное потребление, так и среднесуточную почасовую нагрузку. Возможно, нет смысла покупать более мощные и дорогие солнечные модули, а разумней смириться с небольшими временными неудобствами.

Технология изготовления

Вначале следует спаять фотоэлементы между собой. Если вы купили элементы с металлическими выступами, то тогда можно просто спаять ушки батарей между собой. Делать это нужно очень внимательно и аккуратно. После пайки соединенные компоненты необходимо приклеить к подложке в верхней части панели. Это лучше сделать при помощи специального силиконового клея, который никак не препятствует проникновению солнечных лучей. Кроме того, он способствует нормальному теплообмену. Однако, не переусердствуйте с клеем, так как это может привести к повреждению батарей. Клеить нужно только центр клеток. Далее все элементы нужно соединить с проводом, который подается в одной из заранее предусмотренных вентиляционных отверстий. Для закрепления провода к солнечным элементам лучше использовать силиконовую замазку. Интересное: Солнечная панель своими руками.

На следующем этапе поверх панелей устанавливается оргстекло. Однако, до этого следует подключить диод Шоттки от чувствительных теплопроводящих компонентов. Этот диод послужит блокирующим устройством, которое защитит фотоэлементы при перепадах напряжения. Кроме того, диод Шоттки будет отключать питание системы при маленькой мощности электросети. Так аккумуляторы, заряжаемые от солнца, не будут разряжаться при прекращении питания. Когда диод будет подключен, можно ставить оргстекло и закреплять его винтами. Технология изготовления солнечных панелей является достаточно простой и понятной

Единственное, важно правильно соблюдать последовательность соединения, иначе вся система не будет работать

https://youtube.com/watch?v=3apKOZn-_B4

Как работает солнечная батарея

Принцип работы солнечной батареи основан на наличии полупроводника в виде двух пластин, соединенных друг с другом. Каждая пластина изготавливается из кремния с использованием дополнительных примесей. Благодаря этому пластины обладают своими уникальными свойствами. Первая из них имеет избыток валентных электронов, а вторая имеет недостаток этих электронов. Эти полупроводники получили название n и p. Если эти полупроводники соединить в единое целое, то можно получить PN-переход в месте контакта между ними. В то время, когда на батарею попадают прямые солнечные лучи, на обеих сторонах этого перехода начинают накапливаться положительные и отрицательные плавающие нагрузки. В результате генерируется напряжение и возникает магнитное поле. Если подсоединить к такому элементу провод, по нему потечет электричество.

Как подключить солнечную батарею

Как только вы изготовите солнечную панель, можно начинать заниматься ее подключением. Можно не подключать ее напрямую к сети, чтобы избежать потерь электроэнергии. То есть, желательно установить автономную систему с аккумуляторами. Они будут заряжаться от солнечных батарей каждый день и быстро разряжаться. При этом, глубина разрядки может быть довольно существенной. Поэтому, аккумуляторы могут быстро выйти из строя. Для того, чтобы этого не произошло, лучше оставить подключение к сети через гибридный батарейный инвертор. Это устройство будет отдавать фотоэлементам приоритет при распределении нагрузки. Инвертор не будет отдавать излишки электроэнергии в сеть, а будет передавать ее на аккумуляторы. Такой вариант является одним из наиболее оптимальных. Эта система состоит из гибридного инвертора, контроллера заряда солнечных панелей и аккумуляторов. Такой механизм сможет работать не только как основная, но и как резервная система электропитания.

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?

Разновидности солнечных панелей

В зависимости от уровня производительности такие устройства подразделяются не следующие виды:

• Маломощные исполнения, как, например, солнечная батарея компактная переносная – используются для питания мелкой техники (телефоны, КПК и прочее);
• Универсальные устройства – прекрасно подходят для эксплуатации в полевых условиях;
• Солнечные элементы на подложке – наиболее распространенный вид, который может использоваться для питания довольно крупных объектов.

Виды солнечных батарей

Кроме того техника данного рода может функционировать на базе разных технологий: фотоэлектрические преобразователи, гелиоэлектростанции, солнечные коллекторы. Различают такие аппараты и по роду материала: кремниевые и пленочные. Наивысшей производительностью обладают фотоэлектрические устройства на основе монокристаллического кремния. У таких приборов КПД выше, чем у аналогов – до 22%.

Степень эффективности

Перед тем, как решать, где купить солнечные тепловые батареи, следует определить уровень нагрузки на такие устройства. После чего необходимо соотнести его с имеющейся свободной площадью для установки солнечных панелей. Именно совокупность этих двух факторов позволит правильно подобрать вариант исполнения таких устройств, что позволит получить максимально эффективный источник питания.

Солнечная панель своими руками

Эффективность самодельных устройств зависит от того, насколько точно соблюдены правила их установки

Например, при выборе монокристаллических фотоэлементов важно расположить их под нужным углом, чтобы обеспечить прямое попадание солнечных лучей на поверхность элементов. В этом плане проще выбрать поликристаллические батареи, так как она более стойко переносят изменение погодных условий

Но их производительность несколько ниже.

В покупных изделиях используется контроллер для солнечной батареи, в бытовых условиях можно применить шунтирующие диоды, в частности, диоды Шотке. Это позволит избежать разряжения батарей в пасмурную погоду или ночью. Для создания каркаса, удерживающего фотоэлементы, применяются материалы, которые не пропускают ИК-спектр сквозь поверхность. Такой нюанс позволит снизить интенсивность нагрева конструкции. Нередко для этой цели используется оргстекло. Для соединения всех элементов между собой применяется пайка. В конце полученное изделие герметизируется обычным силиконовым герметиком.

Смотрим видео, полный процесс изготовления своими руками:

Таким образом, главное, что следует знать при выборе солнечных панелей, каков уровень их производительности на конкретном участке и с определенной величиной нагрузки. В результате можно обеспечить питание электроприборов и техники на неограниченное время, так как солнечные батареи относятся к возобновляемым альтернативным источникам энергии. Учитывая довольно широкий выбор таких устройств, можно подобрать наиболее подходящее исполнение под определенные нужды.