Принцип действия солнечной батареи: Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечных батарей

11.03.2019

Солнечные батареи сегодня применяются практически во всех сферах нашей жизни, зарядные устройства, уличные фонари, электромобили и много других областей где востребована солнечная энергия. Если вы хотите подробнее разобраться, как же работают эти устройства, из чего состоят и на что способны, читайте нашу статью.

Немного истории солнечной энергетики

Самым первым изобретенным устройством преобразующем были солнечные коллектора, которые изначально использовались как термальные электростанции, на которых электричество вырабатывается от нагретой до температуры кипения воды. Их использовали на термальных станциях, где с помощью вращения водяным паром турбины получали электричество.

Но немного позже, был изобретен более эффективный путь добычи электроэнергии из солнечных лучей – солнечные батареи. При прямой переработке лучей в энергию, потери значительно меньше, а эффективность намного выше.

На сегодняшний день солнечные батареи состоят из набора фотоэлементов, связанных в цепь. Фотоэлемент – это полупроводниковое устройство, которое непосредственно превращает луч в электрический ток. Этот процесс в физике называется фотоэлектрическим эффектом.

Фотоэлектрический эффект был открыт Александром Беккерелем в 19 веке, однако в то время это была лишь теория. Спустя полвека был создан первый фотоэлемент, который сконструировал А. Столетов.

Солнечная батарея: принцип работы

А теперь немного физики.

Полупроводник – это материал, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо наоборот, их не хватает (p-тип).

Исходя из этого свойства полупроводника и был создан фотоэлемент, который вмещает в себя два слоя с разной проводимостью: n-слой – используется как катод, а p-слой – как анод.

А сам процесс выглядит так: лишние электроны с n-слоя покидают свои атомы, в то время как p-слой их собирает. А лучи солнечного света вытесняют электроны из атомов n-слоя, которые тут же захватывает p-слой. Дальше все происходит по кругу, выходя с p –слоя электроны проходят через нагрузку (в данном примере через аккумулятор) и возвращаются на n-слой.

После понимания какие перспективы за этим стоят, ученые стали искать, какой же материал лучше всего подойдет для этих процессов. И первый современный фотоэлектрический элемент сделали из селена. После проведения ряда экспериментов, было выявлено что КПД процесса с использованием селена, еле достигал 1%, что конечно было не эффективно. Поиски нужного материала и эксперименты продолжались.

Современный фотоэлемент состоит из кремния, он достаточно эффективен (КПД от 15 до 25%) и доступен для массового производства. Однако разработки в этом направлении не прекращаются. Целью на сегодняшний день является упрощение и удешевление процесса производства фотоэлементов, а также повышение КПД.

Солнечная панель – состоит из набора фотоэлементов, связанных в электрическую сеть, так как по одному они мало эффективны. В зависимости от количества таких элементов, определяется и мощность всей панели или солнечной батареи.

Конструкция самой батареи состоит из рамы, на которой располагаются фотоэлементы, закрепленные таким образом, чтобы имелась возможность из заменить по одному, и сверху защитная прозрачная панель из стекла или сверхпрочного пластика, который защищает панель от атмосферных осадков и других объектов.

Разновидности солнечных батарей

Классификация солнечных панелей происходит по мощности и типу используемых элементов.

Элементы могут быть монокристаллические (из цельного кристалла кремния), поликристаллические (из сплава нескольких кусочков кремния) и аморфные (то есть гибкие).

Для того чтобы на примере рассмотреть работу солнечных батарей, определим мощность солнечного потока. На экваторе мощность солнечных лучей достигает 1 кВт, в нашем регионе при пасмурной погоде она может опускаться ниже отметки 100 Вт.

Для примера возьмем среднее значение в 500 Вт.

Гибкие или аморфные солнечные батареи, изготавливаются на гибкой основе и могут покрывать неровные радиусные поверхности. При их производстве используются органические или химические элементы. У них самый низкий КПД около 5-10% . То есть такая панель, площадью 1 м2 при мощности солнечных лучей 500 Вт произведет 25 – 50 Вт электроэнергии.

Монокристаллические и поликристаллический батареи как упоминалось выше, изготовлены из кремниевых полупроводников. Их коэффициент преобразования 20-25%. Панель размером 1м2 выработает около 125 Вт энергии.

Ученые и дальше продолжают работать над сплавами, которые могут повысить эффективность солнечных батарей. Передовыми разработками на сегодняшний день являются решения на основе арсенида галлия, который способен повысить эффективность батарей до 35-40%.

В зависимости от нужной мощности батареи имеют разные типоразмеры. От совсем маленьких на 10-50 Вт (портативные, которые подходят для туризма, позволяют заряжать телефоны, планшеты и фотоаппараты) до больших 200 — 300 Вт (1-1,5м2), которые обычно устанавливают стационарно для снабжения электричеством дома или дачи.

Стабильность работы солнечной батареи и эффективность зависит от окружающей температуры, затенения, угла установки, смены сезона – все эти факторы могут значительно снизить производительность.

Например, при очень высоких температурах, производительность фотоэлемента сильно снижается. А если часть элементов на панели затенить, то производительность упадет у всех, даже хорошо освещенных.

Поэтому важно правильно выбирать место и способ установки таких панелей.

Крупнейшие производители солнечных батарей

Мировыми лидерами среди производителей являются китайские заводы, такие как Suntech, Yingli, Trina Solar.

Также не сдают позиции США- First Solar и японская компания Sharp, с ее солнечным подразделением Sharp Solar.

Все эти компании имеют большие заводы, лаборатории разработки и испытаний произведенных модулей.

Американская компания First Solar кроме производства принимает активное участие в проектировании и строительстве крупнейших солнечных станций в Америке. Например инженеры этой компании спроектировали мощнейшую в мире СЭС Агуа-Калиенте, которая находится в штате Аризона.

В Украине также наметилась положительная тенденция для солнечной энергетики. Самой крупной станцией считается СЭС «Перово» расположенная в Крыму общая мощность которой 105,56 МВт. Построена австрийской компании производителем солнечных панелей Activ Solar.

​

Крупная китайская компания Suntech известна тем, что готовила к летней Олимпиаде-2008 футбольный стадион под названием «Птичье гнездо» в Пекине. Вырабатываемая на протяжении дня с помощью солнечных батарей электроэнергия аккумулируется, а затем используется для освещения стадиона, полива травы на футбольном поле и работы телекоммуникационного оборудования.

Принцип работы солнечной батареи — как работает гелиобатарея ,виды, плюсы и минусы

Плюсы и минусы

Использование гелиоустановок, как в прочем и любого технического устройства, имеет свои достоинства и недостатки, которые можно сформулировать следующим образом:

1. Достоинства применения гелиосистем, как источника энергии:

• Солнце, это источник бесплатной энергии, количество которой несоизмеримо больше, чем потребности человека на текущий момент времени.
• Это возобновляемый ресурс, процесс воспроизводства которого, не зависит от процессов его потребления и переработки.
• Экологическая безопасность процесса получения и преобразования энергии.
• Возможность создания автономных систем энергоснабжения, вне зависимости от вида энергии получаемого в процессе преобразования.
• Осуществление работы в автоматическом режиме, без постоянного контроля пользователя установок подобного типа.

1. Недостатки, свойственные гелиоустановкам:

• Зависимость от погодных условий, времени года и географического месторасположения.
• Низкий КПД – для гелиосистем, использующих солнечные батареи (электрические системы) и большие габаритные размеры, для получения большой мощности, как при производстве тепловой, так и электрической энергий.

Виды солнечных панелей

Кроме мощности и других рабочих параметров, солнечные панели различаются по материалам, используемым в их конструкции.

Монокристаллический кремний

В наиболее качественных панелях применяется монокристаллический кремний. Данные элементы изготавливаются в форме квадрата с закругленными углами. Такая конфигурация обусловлена технологией изготовления, когда выращенные кристаллы изначально принимают цилиндрическую форму. Далее края цилиндров обрезаются и основание принимает нужную конфигурацию, из чего потом делаются заготовки.

Готовые ячейки устанавливаются на подложку и накрываются стеклом или ламинированным покрытием. Полученные таким способом батареи имеют максимально возможный КПД, отличаются высоким качеством и надежностью в работе.

Поликристаллический кремний

Технология изготовления почти такая же за исключением формы кристалла, который в конце изготовления принимает не круглую, а квадратную форму. В его структуру входят мелкие кристаллы в большом количестве, поэтому конечный продукт и получается в квадратной конфигурации.

Сырьем служат отходы, полученные при изготовлении фотоэлементов и микросхем. В результате, готовые приборы обладают более низким КПД, однако конкретные параметры зависят от производителя, и нередко совпадают с монокристаллическими изделиями.

Аморфный кремний

Используется в производстве гибких солнечных панелей. Вместо кристаллов здесь выполняется напыление тонкого слоя кремния со всеми добавками, после чего образуется покрытие нужной толщины. После разрезания листов и приклеивания на них токопроводящих полосок, конструкция покрывается ламинатом.

Такие батареи обладают самым низким КПД, однако они могут сгибаться во всех направлениях, а скатанные в рулон – транспортируются на любые расстояния. Данные изделия незаменимы в полевых условиях, в походах и путешествиях при отсутствии возможности нормальной зарядки.

Существующие разновидности

Классифицируются солнечные батареи по мощности вырабатываемого электричества, которая зависит от площади панели и ее конструкции. Мощность потока солнечных лучей на экваторе достигает 1 кВт, тогда как в наших краях в облачную погоду она может опускаться ниже 100 Вт. В качестве примера возьмем средний показатель (500 Вт) и в дальнейших расчетах будем отталкиваться от него.

Наручные часы Citizen Eco-Drive с солнечной батареей вместо циферблата

Самым низким коэффициентом фотоэлектрического преобразования обладают аморфные, фотохимические и органические фотоэлементы. У первых двух типов он равен примерно 10 процентам, а у последнего – всего лишь 5 процентам. Это означает, что при мощности солнечного потока в 500 Вт солнечная панель площадью один квадратный метр будет вырабатывать соответственно 50 и 25 Вт электроэнергии.

Монтаж солнечных панелей на крыше жилого дома

В противовес вышеупомянутым типам фотоэлементов выступают солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников. Коэффициент фотоэлектрического преобразования на уровне 20%, а при благоприятных условиях — и 25% для них привычное дело. Как результат, мощность метровой солнечной панели может достигать 125 Вт.

Гоночный электромобиль Honda Dream на солнечных батареях появился еще в 1996 г.

Конкурировать по мощности с кремниевыми солнечными батареями способны разве что решения на основе арсенида галлия. Используя это соединение, инженеры научились создавать многослойные фотоэлементы с КФП свыше 30% (до 150 Вт электричества с квадратного метра).

Портативная солнечная панель Solarland мощностью 130 Вт и стоимостью $860

Если же говорить о площади солнечных батарей, то существуют как миниатюрные «пластинки» мощностью до 10 Вт (для частой транспортировки), так и широченные «листы» на 200 Вт и более (сугубо для стационарного использования).

Беспилотный самолет, разработанный NASA Ames Research Center, способен на солнечной энергии пролететь от восточного побережья США до западного

На работу солнечных батарей может негативно влиять ряд факторов. К примеру, с ростом температуры снижается КФП фотоэлементов. Это при том, что солнечные батареи как раз-то и устанавливают в жарких солнечных странах. Получается своеобразная палка о двух концах.

Солнечную батарею Voltaic можно носить у себя за спиной

А если затемнить часть солнечной панели, то неактивные фотоэлементы не только прекращают вырабатывать электричество, но и становятся дополнительной, зловредной нагрузкой.

«Солнечное дерево – культурный и одновременно научный символ австрийского городка Глайсдорф

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.

Проект системы отопления на коллекторах

Прежде всего, мы подробно разберемся с различиями в строении и функционировании батарей и коллекторов.

Панель состоит из нескольких фотоэлементов, соединенных между собой на каркасе из непроводящих энергию материалов.

Фотоэлектрические преобразователи – достаточно сложные конструкции, представляющие собой своеобразный сэндвич из пластин с различными характеристиками и назначениями.

Кроме гелио модулей и специального крепежа, система состоит из таких элементов:

• аккумуляторов, для хранения энергии;
• контроллера, который будет следить за степенью зарядки в аккумуляторе;
• инвертора – для преобразования постоянного тока в переменный.

Коллекторы бывают двух видов: вакуумные и плоские.

Вакуумные коллекторы состоят из полых стеклянных трубок, внутри которых расположены трубки меньшего диаметра, содержащие поглотитель энергии. Меньшие трубки соединены с теплоносителем. В свободном пространстве между ними находится вакуум, который сохраняет тепло.

Принцип работы солнечного коллектора

Плоские коллекторы состоят из рамы и армированного стекла с фотонопоглощающим слоем. Слой поглотителя подключен к трубкам с теплоносителем.

Обе эти системы состоят из контура для теплообмена и теплового аккумулятора (бак для жидкости).

Из бака вода поступает в отопительную систему при помощи насоса. Во избежание потерь тепла, бак должен быть хорошо утеплен.

Располагаться такие установки должны на южном скате кровли. Угол наклона должен быть 30–45 градусов. Если расположение дома или конструкция крыши не позволяют установить панели гелиосистемы на кровле, то можно установить их на специальных укрепленных каркасах или на стойках, закрепленных в стену.

Количество солнечной энергии, выделяемой в разное время года, сильно отличается. Величину коэффициента инсоляции для места вашего проживания можно найти по карте солнечной активности. Зная коэффициент инсоляции, вы сможете посчитать необходимое вам количество модулей.

Например, вы потребляете энергии 8 кВт/ч, инсоляция в среднем 2 кВт/ч. Мощность солнечной панели – 250 Вт (0,25 кВт). Произведем расчеты: 8 / 2 / 0,25 = 16 штук – именно такое количество панелей вам понадобится.

Как сделать своими руками

Умея работать с ручным инструментом, имея знания в электротехнике и механике, а также имея желание и свободное время, можно изготовить своими руками, достаточно сложное механическое транспортное средство, каким является солнечный автомобиль.

Начать необходимо с того, что нужно понять, как устроен подобный автомобиль, и как осуществляется его работа. Работа подобных устройств, отражена на ниже приведенной схеме.

Энергия солнца поглощается и преобразуется в электрическую энергию в солнечном коллекторе (батарее), который устанавливается на корпусе транспортного средства (автомобиля), и накапливается в аккумуляторе.

Посредством установки электронного блока управления, осуществляется контроль за расходом накопленной электрической энергии и зарядом аккумулятора, а также током потребления электрического двигателя, преобразующим электрическую энергию в его вращательное движение, которое в свою очередь, посредством механической передачи, передается на колеса транспортного средства.

Как видно из приведенной схемы, основные электрические элементы и механическую часть конструируемого автомобиля, лучше всего использовать заводского производства. Корпус же, может быть различным, главное условие для него, это прочность конструкции и малый вес.

Габаритные размеры корпуса создаваемого автомобиля зависят от размера механических узлов, а также размера солнечной батареи, которую планируется разместить снаружи.

Мощность солнечной панели должна соответствовать техническим характеристикам электронного блока и аккумуляторов, устанавливаемых на модели, а они, в свою очередь, должны быть увязаны с характеристиками электрического двигателя.

Способы подключения АКБ

Одного аккумулятора для солнечной батареи будет недостаточно. Чтобы обеспечить полноценную работу электростанции, необходимо использовать несколько однотипных устройств. Желательно, чтобы они были даже из одной партии, тогда все характеристики будут совпадать.

Если нужно повысить общую емкость системы, то следует использовать один из трех способов соединения данных батарей. Речь идет о параллельном, последовательном или комбинированном соединении.

При параллельном складываются емкости имеющихся батарей и сравниваются с общим напряжением, которое используется.

При последовательном соединении суммируется последний показатель. К нему берется емкость только одной батареи, а не общая.

На данный момент чаще всего используются комбинированные соединения. При нем нужно суммировать емкость и напряжение. Однако этот способ имеет свои недостатки. При таком соединении аккумуляторы для солнечной батареи могут разбалансироваться. В итоге суммарное напряжение будет прежним, а емкости начнут меняться. Из-за этого одни устройства будут недозаряжаться, другие — перезаряжаться. Соответственно, их эксплуатационный срок будет понижаться. Именно поэтому в комплект к системе нужно приобретать специальный контроллер, а также перемычки, при помощи которых можно выровнять напряжение батарей.

Принцип действия

Описываемое устройство уникально тем, что преобразует световую энергию, получаемую от солнечных лучей, в электроток. В основу таких приборов стандартно заложены фотоэлементы в виде фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей.

Если рассматривать современные модели батарей, работающих от солнца, они различаются по ряду параметров:

• габариты;
• производимая мощность;
• производитель (стоимость).

Стоит детальнее разобраться, как устроена солнечная батарея. Во время сборки фотоэлемента на монокристаллическую пластину из кремния наносится тонкий слой из бора и фосфора. В кремниево-фосфорной прослойке образуются свободные электроны. Полоска же с добавлением бора (анод) представлена отсутствующими электронами. Поступление на фотоэлемент кванта света приводит частицы в движение, они перемещаются между слоями. Передвигающиеся электроны высвобождают некое количество энергии, образуя разность потенциалов. Последняя определяется интенсивностью подаваемого света.

Высвобожденная описанным методом энергия должна выводиться из отдельных многочисленных пластин. Для этого на фотоэлектрических преобразователях созданы металлизированные дорожки. Максимальная мощность батареи напрямую зависит от ее площади. Количество вырабатываемого электричества возрастает пропорционально увеличению численности отельных пластин.

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.

Крупнейшие производители

Лидерами глобального производства солнечных батарей являются компании Suntech, Yingli, Trina Solar, First Solar и Sharp Solar. Первые три представляют Китай, четвертая – США, а пятая, как нетрудно догадаться, является подразделением японской корпорации Sharp.

Гольфкар на солнечных батареях – бесшумное и экологически чистое средство передвижения

Американская компания First Solar не только производит солнечные батареи, но и принимает непосредственное участие в проектировании и строительстве солнечных электростанций. Мощнейшая в мире СЭС Агуа-Калиенте, которая находится в штате Аризона, США – дело рук инженеров First Solar.

Крупнейшую же украинскую СЭС «Перово» строила и снабжала солнечными панелями австрийская компания Activ Solar.

Китайская же компания Suntech прославилась тем, что готовила к летней Олимпиаде-2008 футбольный стадион под названием «Птичье гнездо» в Пекине. Вырабатываемая на протяжении дня с помощью солнечных батарей электроэнергия аккумулируется, а затем используется для освещения стадиона, полива травы на футбольном поле и работы телекоммуникационного оборудования.

Национальный стадион в Пекине густо усеян солнечными батареями производства Suntech

Гонки на солнцемобилях

Появление различных моделей солнечных автомобилей, выпускаемых крупными автопроизводителями и производимые индивидуальными изобретателями, привело к тому, что появился новый вид спорта – брейнспорт или гонки на солнцемобилях.

Данные соревнования проводятся в разных странах, но наиболее известные проходят в Австралии между городами Дарвин и Аделаида. Протяженность участка 3000,0 км.

Участие в подобных соревнованиях позволяет автомобильным компаниям тестировать свои новые технические разработки в экстремальных условиях, что в свою очередь служит развитием солнечного автомобиле строения.

Автомобиль на солнечных батареях как изобретение ХХ века

История создания автомобилей, работающих на солнечных батареях, начала свое начало в середине ХХ века в США, однако в связи с тем, что технологии того времени не позволяли изготовить мощную солнечную батарею не больших размеров, и выпускаемые аккумуляторы не были энергоемкими, то и развитие этой отрасли автомобилестроения было приостановлено. Лишь в 90-е годы, к этой теме вернулись и работы продолжились.

Увеличение КПД солнечных батарей позволило увеличить количество вырабатываемого ими электричества, а энергоемкие аккумуляторы нового поколения, позволили создавать необходимый запас энергии, при перемещении на дальние расстояния.

Применение новых материалов, при изготовлении кузова, новых систем трансмиссии и типов электродвигателей, также отразились на развитии данного типа автомобилей. Сейчас элементы кузова изготавливаются из прочного и легкого пластика, в трансмиссии используются детали с наименьшим уровнем сопротивления качению, а в качестве двигателей применяют устройства бесколлекторного типа использующие в своей конструкции полюса из редкоземельных магнитных материалов.

Еще одним из изобретений, которое стало использоваться на солнце автомобилях, стали мотор-колеса. В этом случае электрический двигатель расположен на каждом из ведущих колес автомобиля, что позволяет увеличить общий КПД передаточного механизма.

На увеличение мощности устанавливаемой на автомобиль солнечной батареи, повлияло и то, что подобные устройства теперь можно выпускать гибкими, следовательно, размещать на всех элементах кузова, что увеличивает площадь поглощающую солнечную энергию.

Где купить

Гелиосистемы в целом и их составные элементы, являются специфическим товаром, для приобретения который лучше всего обратиться в организацию, которая специализируется на реализации товаров в этой отрасли энергетики.

Оптимальный вариант, в этом случае, это найти дилера компании, производящей гелиосистемы, и заключить договор поставки.

При невозможности сделать это, и при желании снизить затраты на приобретение оборудования, можно обратиться к сети интернет, где присутствует достаточно большое количество предложений о продаже гелиоустановок, как полной комплектации, так и их отдельных элементов.

Солнечные генераторы лучше, чем обычные портативные генераторы на топливе?

 Большинство истинных преимуществ универсальной портативной электростанции на солнечной энергии заключается в том, насколько она удобна и экологична.

Короче говоря, перевешивают ли преимущества недостатки в действительности, зависит от того, для чего будет использоваться генератор, и от климата в этом месте.

Переносные генераторы на солнечной энергии идеально подходят для отдыха на природе, например, для рыбалки и кемпинга. Они не производят никакого шума, поэтому они не могут беспокоить соседей или дикую природу, и они не выделяют никаких опасных паров, поэтому они являются экологически чистыми и безопасными.

Портативные электростанции «все в одном» также являются единственным реальным вариантом в качестве альтернативного источника электропитания для использования внутри помещений, поскольку они не выделяют никаких паров.

Генератор солнечной энергии также является идеальным спутником в путешествиях для профессионалов, работающих в автономных ситуациях.

Генератор солнечной энергии также является распространенным механизмом для поездок по бездорожью. Аккумулятор можно использовать для питания небольших электрических инструментов в случае поломки автомобиля или для запуска автомобиля.

Короче говоря, портативная электростанция на солнечной энергии является универсальным автономным источником электроэнергии, но она не подходит для всех целей.

Небольшие портативные генераторы солнечной энергии не подходят в качестве домашнего резервного генератора просто потому, что они, как правило, содержат гораздо меньше энергии, чем инверторный генератор или обычный портативный генератор. Модели солнечной энергии, которые обеспечивают достаточно электричества для питания основных бытовых приборов, намного больше и тяжелее, чем альтернативы, работающие на топливе, что делает их менее портативным вариантом, в этом случае.

Солнечная энергия также не является надежным источником энергии в регионах с ограниченными солнечными часами или непредсказуемыми погодными условиями. Например, переносная электростанция на солнечной энергии не получит достаточно солнечных часов для полной зарядки в нашей стране зимой.

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.

Устройство гелиобатареи

С каждым годом оборудование для преобразования солнечной энергии в электрическую становится всё доступнее и дешевле. Сегодня существуют не только стационарные панели для обеспечения электроэнергией домов и хозяйственных построек, но и портативные. Они используются туристами для зарядки телефонов, фонариков и других устройств. Солнечные панели устанавливают на электрические автомобили. Также они используются на космических спутниках. Из таких батарей даже начали строить полномасштабные электростанции.

Это интересно: как изготовить солнечный коллектор для дома своими руками.

Строение солнечной батареи подразумевает блок, состоящий из какого-либо количества модулей — полупроводниковых фотоэлементов, соединённых между собой последовательно. Чтобы выяснить принцип работы солнечных панелей, нужно понять действие конечного элемента всего устройства.

Фотоэлемент состоит из двух слоёв кремния, каждый из которых имеет различные физические свойства. Во время попадания солнечных лучей на фотоэлемент между двумя слоями появляется вентильная фото-ЭДС. Из-за этого появляется разность потенциалов и возникает электрический ток. Различаются солнечные батареи по принципу производства на:

• поликристаллические;
• монокристаллические.

У монокристаллических моделей КПД больше, но и стоимость их производства выше по сравнению с поликристаллическими устройствами. Оба вида отличаются между собой по внешним признакам. Монокристаллы имеют однородную структуру. Они представляют собой квадраты, имеющие срезанные углы. У поликристаллов правильная квадратная форма.

Солнечные батареи – удовольствие не из дешевых, однако в будущем они помогут сэкономить вам деньги

Поликристаллические фотоэлементы производят методом плавного остывания расплавленного кремния. Это довольно простая технология, поэтому себестоимость такого материала относительно низкая. Но КПД поликристаллов составляет не больше 15%. Кремниевые пластины, произведённые по такой технологии, получаются неоднородной структуры и с примесями.

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 работает солнечная батарея. Принцип работы солнечной энергии

Проще говоря, панель солнечных батарей (фотоэлементы) работают, позволяя фотонам, или частицам света, выбивать электроны, свободные от атомов, генерируя электрическую энергию. Панели солнечных батарей состоят из более малых блоков называемыми фотогальваническими элементами. (Фотовольтаические середины они преобразовывают солнечный свет электроэнергию) много соединенных совместно элементов составляют панель солнечных батарей.

 

Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи

Каждый фотоэлемент солнечных батарей – это в основном сэндвич, состоящий из двух слоев полупроводящего материала, обычно кремния, который используется в микроэлектронике.

Для работы фотоэлементов необходимо создать электрическое поле. Подобно магнитному полю, которое возникает в присутствии противоположных полюсов, электрическое поле возникает, когда противоположные заряды разделены. Чтобы получить это поле, производители смешивают кремний с другими материалами, давая каждому срезу панели положительный или отрицательный электрический заряд.

В частности в верхний слой кремния смешивают с фосфором, который добавляет дополнительные электроны с отрицательным зарядом к этому слою. Между тем, нижний слой получает дозу бора, что приводит к меньшему количеству электронов или положительному заряду. Это все доходит до появления электрического поля на соединении между слоями. Затем, когда фотон солнечного света выбьет свободный электрон, электрическое поле вытеснит этот электрон из кремниевого соединения.

Несколько других компонентов панели превращают эти электроны в мощность. Металлические проводящие пластины по бокам панели собирают электроны и переносят их на провода. В этот момент электроны могут течь, как любой другой источник электричества.

Зачем нужен солнечный инвертор или преобразователь?

Внутри солнечных батарей вырабатывается постоянный ток, а в сети используется переменный, для этого придумали инвертор.

Принцип работы инвертора солнечной электроэнергии заключается в том, что подавая электрическую энергию постоянного тока напряжения от солнечных батарей и преобразует ее в напряжение переменного тока. Вместе с инвертированием постоянного тока в переменный ток, они также обеспечивают замыкание в землю и защиту системы, в том числе производство энергии и отслеживание точки максимальной мощности.

Центральные инверторы доминировали в солнечной промышленности с самого начала. Введение микро-инверторов является одним из самых больших технологических сдвигов в отрасли ФОТОВОЛЬТАИКИ. Микро-инверторы оптимизируют для каждой панели солнечных батарей индивидуально, а не для всей системы. Это позволяет каждой панели солнечных батарей работать используя максимально свой потенциал. Когда центральный инвертор имеет проблему на одной панели солнечных батарей (возможно она в тени или не мытая) это может снизить производительность всего блока солнечных батарей. Для микро-инверторов это не проблема. Если одна панель солнечных батарей или несколько работают не правильно, остальная часть солнечной батареи по-прежнему будет работать эффективно.

Недавно исследователи произвели ультратонкие, гибкую солнечную батарею толщиной всего 1,3 микрона около 1/100 ширины человеческого волоса и в 20 раз легче, чем лист офисной бумаги. На самом деле, панели настолько легкие, что они могут сидеть поверх мыльного пузыря, и все же они производят энергию с такой же эффективностью, как стеклянные солнечные батареи, сообщили ученые в исследовании, опубликованном в 2016 году в журнале Organic Electronics. Более легкие, более гибкие солнечные элементы, такие как они, могут быть интегрированы в архитектуру, аэрокосмическую технологию или даже носимую электронику.

Есть и другие электростанции использующие энергию солнца, включая солнечную тепловую и концентрированную солнечную энергию — CSP), которые работают по-другому, чем фотоэлектрические солнечные панели, но все используют энергию солнца, либо для создания электроэнергии, либо для нагрева воды или воздуха.

Три основных типа солнечных батарей

-Монокристаллические солнечные панели изготавливаются в длинных цилиндрах и нарезаются тонкими пластинами. Пока этот процесс энергии интенсивен и использует больше материалов, он производит клетки высокой эффективности. Монокристаллические модули фотоэлемента могут иметь КПД до 23% по данным некоторых лабораторных тестов. На долю монокристалла приходится чуть более трети мирового рынка.

-Поликристаллические солнечные батареи фотоэлемента сделаны из жидкого кремния брошенного в квадратные слитки. Пока цены производства более низки, эффективность панелей то же низка КПД модуля близка к 20%. Поликристаллические ячейки составляют около половины мирового рынка PV.

-Тонкопленочные элементы включают в себя распыление или осаждение материалов (аморфного кремния, кадмия-теллурида или другого) на поверхности стекла или металла в тонких пленках, делая весь модуль одновременно вместо сборки отдельных ячеек. Этот подход приводит к снижению эффективности, но имеет более низкую стоимость. Тонкие пленочные панели составляют около десяти процентов мирового рынка PV.

Подробный принцип работы солнечной батареи

Фотоэлементы состоят из двух слоев полупроводникового материала, обычно это кристалы кремния. В нижнем слое фотоэлектрических ячеек, как правило находится, делегированный (смешанный с) бором для снижения количества положительного заряда он называется слоем P-типа, в то время как кремний в верхнем слое делегирован фосфором, чтобы уменьшить количество отрицательного заряда (N-тип).

Поверхность между слоями \”p-типа\” и \”N-типа\” называется p-n-переходом и образует разность потенциалов. Движение электронов по этой поверхности создает электрическое поле, которое позволяет электронам течь из области p-типа в область N-типа.

При попадании солнечной энергии на панель, его энергия в солнечных батареях сбивает электроны в обоих слоях. Поскольку у слоев противоположные заряды, электроны текут из слоя N-типа в слой p-типа. Но электрическое поле в p-n-переходе, предотвращает это. Наличие внешней цепи, создает путь для перемещения электронов в из области n-типа в область p-типа, следовательно, напряжение.

Солнечные батареи для дома — принцип действия и разновидности (85 фото)

Каждый обыватель мечтает об экономии электрической энергии. В качестве её альтернативы можно рассмотреть вариант использования энергии солнца, о перевоплощении которой в электричество позаботится солнечная батарея для дома, как на фото.

Принцип действия батареи

Солнечная батарея — устройство генерации постоянного тока, располагается на крыше дома. К нему подключаются аккумуляторные батареи с датчиком контроля заряда и инверторами, преобразующими ток постоянный в переменный.

Фотоэлементы, расположенные на панельном устройстве, трансформируют энергию солнца в электричество. Все фотоэлементы подключаются параллельным и последовательным способами в единое целое, в результате этого вырабатывается некоторое количество энергоресурса.

Параллельный способ подключения производит ток, а последовательный – напряжение.

Эффективное функционирование батареи без сбоев возможно благодаря объединению двух способов в единый механизм. Диоды используются в скреплении деталей панели, чтобы не было перегрева и разрядки аккумуляторов.

Контроллер заряда, которым оснащен аккумулятор, способен собирать и сохранять энергию от солнечной батареи. Резистор, подключенный к батарее, обеспечит возможное повреждение системы в целом.

Инвентор необходим для пропуска переменного тока из батареи, чтобы использовать его в быту. Возможно, для освещения дома. Установку солнечных батарей можно произвести своими руками или воспользоваться услугами профессионалов.

Составляющие батареи

Основными составляющими системы являются:

• Солнечная панель, которая непосредственно принимает излучение солнца.
• Датчик контроля заряда, стабилизирующий функциональность системы и способствующий увеличению эффективности производства электричества.
• Аккумуляторы, благодаря которым сохраняется выработанная электроэнергия.
• Инвертор, преобразующий ток из одного вида в другой, используемый различными электрическими приборами.

Положительные качества и недостатки

Достоинствами солнечной батареи для частного дома являются:

• отсутствие финансовых вложений в период работы;
• долгий срок службы;
• использование неиссякаемого источника энергии – солнечного излучения;
• отсутствие потребности в техобслуживании;
• не создает шумов при работе;
• необходимый показатель КПД;
• экологичность в применении.

К недостаткам можно отнести:

• зависимость от солнца.
• внушительную стоимость системы.
• необходимость опыта монтажной работы.

Разновидности батарей

Монокристаллические кремниевые. Происходят от процесса литья высокоочищенных кремниевых кристаллов. А нестандартное положение монокристальных атомов способно увеличить КПД до 19%.

Толщина фотоэлементов составляет 200-300 мкм. Батареи этого вида надёжны и долговечны, но стоят дорого.

Мультикристаллические кремниевые. В качестве основы для них служат разные монокристаллические кремниевые решётки. Срок их работоспособности — 25 лет, а КПД около 14-15%.

Поликристаллические кремниевые. Кремниевые атомы ориентированы иначе, поэтому уступают монокристаллу по выработке электричества. Период эксплуатации — 20 лет, КПД – 14%.

Тонкоплёночные. Для производства панельных систем используется определенная плёнка, поглощающая солнечный свет. В основном эти устройства применяют в туманных альбионах. При КПД — 10% у них достаточно привлекательная стоимость батареи.

Аморфные кремниевые. Являются экономным вариантом при КПД в 8%, но стоимость вырабатываемой электроэнергии достаточно дешевая.

Из теллуида кадмия. Производится с использованием плёночной технологии. Хотя слой пленки очень тонкий, но КПД составляет 11%. Стоимость энергии обойдется чуть дешевле, чем у кремниевых панелей.

Сфера использования

Дешёвое электричество, вырабатываемое панелями, широко востребовано в различных сферах и применяется для:

• Освещения всевозможных зданий и помещений.
• Энергообеспечения различных коммуникаций и оборудования больничных учреждений.
• Освещения улиц, трасс, территорий и пр.
• Зарядки микроэлектронных приборов и устройств.

Эффективность использования

Используя энергию солнца в доме, владелец заметно сэкономит. Тем более, при расположении дома в регионах с максимальным количеством солнечных дней. Ведь основной источник энергии – солнечное излучение.

Зимой батареи, у которых КПД около 15% смогут пользоваться горячим водоснабжением и отоплением на 70%, что значительно сэкономит расходы. 30% электроэнергии всё таки придётся позаимствовать у обычных электроносителей.

Принцип работы

Принцип работы состоит в том, что лучи солнца попадают на полупроводник, который вмонтирован в улавливатель. При обоюдном взаимодействии появляются свободные электроны, в результате чего возникает постоянный ток.

В быту потребуется применение большего количества пластин, значит, одна панель должна содержать их несколько десятков.

Система отопления при помощи солнца

Обеспечить дом теплом с помощью солнечных батарей возможно при наличии таких элементов:

• Солнечного модуля.
• Датчиков контроля.
• Насосной системы.
• Емкости (500-1000 л).
• Электротэна.

Солнечный ресурс можно применять для напора воды в трубах или «тёплого пола».

Сделать правильный выбор нужного варианта, поможет подготовленный точный расчет мощности всех возможных потребителей и при этом учесть следующие нюансы:

• Наклон крыши должен составлять более 30 град.
• Панели должны располагаться на южной стороне, насыщенной солнцем.
• Ничто не должно загораживать прямое проникновение солнца на панель.
• Усредненное число солнечных дней.
• Возможное облучение радиацией.
• Надежность стропил в конструкции крыши, которые будут подвергаться нагрузке от модулей и слоя снега.

Преимущества отопления солнцем

• экологически чистое приспособление, поэтому не загрязняет атмосферу;
• не спровоцирует пожар;
• работоспособны при незначительном солнце;
• не зависит от посторонних источников энергии;
• автоматизация системы;
• при правильном монтаже не требуется дополнительное вложение средств или текущие ремонтные работы.

Выбор устройств для домашнего использования

Батареи малой мощности можно применять для работы некоторых бытовых приборов, телефона и нескольких источников освещения.

Универсальные используют в качестве электропитания для обеспечения светом и теплом дом на 70%.
Большой мощности – для полного обеспечения необходимых источников электричеством и теплом.

Фото солнечных батарей для дома

Принципы работы контроллера заряда для солнечной батареи

Устанавливая солнечные панели, нужно знать принцип работы контроллера солнечной батареи. Фотоэлементы подсоединяют к аккумулятору через контроллер. Правильная схема работы контроллера солнечной батареи обеспечивает эффективный заряд накопителя. Ведь панели вырабатывают напряжение довольно малого номинала, и поэтому вначале накапливают энергию для дальнейшего преобразования. Далее постоянное напряжение трансформируется инвертором в переменное 220 В и используется для запитки обычных электроприборов.

Функции контроллеров

Аккумуляторы — капризны, при неправильной эксплуатации они теряют свою емкость или вовсе перестают работать. Это происходит по двум причинам:

• перезаряд
• недозаряд

Первая причина обусловлена тем, что напряжение заряда больше номинального напряжения аккумулятора. Если не отсоединить устройство в тот момент, когда оно зарядилось до номинального значения — происходит вскипание жидкости в его ячейках с дальнейшим испарением жидкого электролита. А это служит причиной потери емкости. Ячейки с электролитом могут утратить герметичность, вследствии высокого давления, образующегося при кипении жидкости. В таком случае девайс теряет свойство накапливать энергию.

Вторая причина заключается в том, что аккумуляторы не любят, когда их заряжают не полностью. И через несколько циклов заряда разряда могут потерять первоначальную емкость. В большинстве случаев это обратимый процесс, все зависит от изношенности батареи. Утрата емкости обусловлена так называемым «эффектом памяти». Особенно это явление актуально у свинцовых накопителей. Существуют экземпляры с электродами из других материалов, которым этот эффект практически не присущ. Но стоят они дороже. Свинцовые накопители хороши тем, что могут давать большие пиковые токи, что хорошо при питании двигателей и потребителей индуктивного и емкостного характера.

На практике аккумуляторы подключают к панелям последовательно с контроллером заряда. Это приспособление помогает функционировать батареям в оптимальном режиме независимо от всего и оберегает их от преждевременного износа. Эти модули следят за состоянием батареи и в зависимости от этого подают на клеммы определенные значения напряжения и тока. При дневном освещении модуль фотоэлементов генерирует определенную мощность. Ее значение указывают в инструкции, но следует помнить, что она была снята в режиме холостого хода. При подсоединении аккумулятора они уменьшатся, так как он имеет некоторое внутреннее сопротивление. Рекомендовано производить заряд током в 10 раз меньшим, чем мощность батареи. На практике этого сложно добиться так как сопротивление аккумулятора меняется при заряде. В разряженном состоянии оно наибольшее, в заряженном — наименьшее. Поэтому правильно регулировать зарядный ток динамически.

Типы схемотехники

Принцип работы контроллера зависит от его типа. Он может быть построен по двум основным схемотехникам, каждая из которых имеет свои плюсы и минусы:

Первая подразумевает использование широтно импульсной модуляции, а ее аббревиатура является сокращением от Power Width Modulation. Чем больше заряжается батарея, тем больше скважность заряжающих импульсов тока. То есть зарядка происходит импульсами одинаковой амплитуды. Частота повторения импульсов тем выше, чем меньше напряжение на клеммах.

Второй тип совершеннее первого, и хотя и использует ШИМ, но намного разумнее. Дело в том, что сопротивление батареи в ходе заряда меняется, то есть нелинейно. Солнечная панель же выдает на холостом ходу стабильное значение мощности. При работе на батарею, напряжение, выдаваемое источником, — проседает. Ток также уменьшается. Рассогласование сопротивлений ведет к потерям мощности. MPPT контроллеры имеют постоянное внутреннее сопротивление для входящего тока. А это позволяет наиболее полно использовать мощность. Далее она попадает на преобразователь, отдающий такое напряжение и ток, которые в данный момент времени оптимальны. Встроенный преобразователь устанавливает на клеммах такой ток и напряжение, которые в данный момент эффективнее ее зарядят. В результате батарея не испытывает перегрузок и автоматически отключается после цикла зарядки.

Сравнение типов схемотехники

MPPT контроллеры совершеннее тем, что наиболее полно вытягивают из источника электроэнергии мощность. Их КПД выше, что заметно при наличии большого числа панелей. Но их схемотехника сложнее, а значит и дороже. Для многих маломощных электростанций вполне применимы и PWP-девайсы, а потери не так существенны. MPPT модули более “умные” и могут работать не только в режиме накопления, но и питания нагрузки.

Принцип работы солнечных батарей | SUNSAY Energy

Солнце — это неисчерпаемый источник энергии, а солнечный свет — это поток элементарных частиц фотонов. Они преодолевают почти 150 000 000 километров от Солнца к поверхности Земли за 8,5 минут. Количества фотонов, которая достигает поверхности нашей планеты за один час достаточно, чтобы удовлетворить энергетическую потребность нашей планеты на несколько лет.

Солнечная энергия и открытие явления фотоэффекта

Еще 120 лет назад французский ученый Эдмонд Беккерель открыл фотоэлектрический эффект — это явление высвобождения электронов из вещества под действием лучей света. Он исследовал, что электрический ток возникает при попадании солнечного света на некоторые материалы. Благодаря открытию фотоэффекта, стало возможным преобразование солнечного излучения в электрическую энергию. Этот экологически чистый и безопасный метод получения электроэнергии становится все более актуальным по всему миру.

Принцип работы солнечных батарей

Солнечная батарея состоит из простых фотоэлементов — фотоэлектрических преобразователей, в которых энергия солнца превращается в электрическую. Большинство фотопреобразователей изготавливаются из кремния — полупроводника, который является вторым по распространенности элементом на Земле.

Простейший солнечный элемент (фотопреобразователь) можно сравнить с сэндвичем. Это две пластины, присоединенные друг к другу. Одна пластина имеет избыток электронов — это отрицательно заряженный слой «n». Вторая пластина имеет свободные места для электронов, которые называются дырки — это положительно заряженный слой «p». Между положительно и отрицательно заряженными слоями есть зона, которая противодействует переходу избыточных электронов в слой, где их не хватает.

Фотон света влетает в слои «n» и «p» и передает свою энергию электронам. Электроны поглощают энергию фотонов света, свободно преодолевают эту зону и переходят в слой «n», тогда как дырки — в слой «p». Электроны движутся только в одном направлении p-n перехода, вызывая образование постоянного тока. А инвертор, важная составляющая солнечных электростанций, превращает сгенерированный солнечными батареями постоянный ток в переменный. То есть такой, которым можно пользоваться.

Интересно, что один фотопреобразователь генерирует только 0,5 Вт. Для большей мощности их нужно объединять в фотомодули, привычными словами это и есть солнечная батарея. Например, для того чтобы зарядить мобильный телефон, нужно двенадцать фотоэлементов, а для полноценного питания дома необходимо в разы больше.

Преимущества солнечных батарей

1. Солнечная энергия бесплатна и не может быть израсходована.

Электроны — единственные подвижные части в фотоэлементах и ​​они всегда возвращаются туда, откуда появились. Поэтому солнечные батареи могут работать десятки лет.

2. Необходимое количество электроэнергии в нужное время.

Солнечные батареи обычно производят наибольшее количество электроэнергии в то время, когда спрос достигает пика. Например, в жаркое время, когда кондиционеры включены большую часть дня и потребляют много энергии, батареи тоже работают интенсивнее.

3. А в случае, если дом или предприятие производит больше электроэнергии, чем потребляет, электроэнергии подается обратно в сеть.

Погода и сезон не имеют значения.

Солнечные батареи вырабатывают электроэнергию при любой погоде. Единственное время, когда производительность останавливается — ночь. Мы уже писали о том, в каких регионах Украины солнечные батареи будут наиболее продуктивными.

В 2017 году Международное Энергетическое Агентство предоставило отчет о том, что солнечная энергия заняла первое место по скорости роста установления и развития среди других альтернативных видов энергии.

Солнечные энерготехнологии постоянно совершенствуются, стоимость производства солнечных батарей становится дешевле ежегодно. Это значит, доступнее и привлекательнее среди других альтернативных источников энергии.

Помните, что солнечные специалисты SUNSAY Energy всегда рады проконсультировать вас по любым вопросам солнечной энергетики.

 

Солнечные панели для умного дома: виды и анализ энергообеспечения

Солнечная энергетика на сегодня является одним из наиболее экологически чистых способов получения электричества и тепла. Интерес к этой сфере растёт с каждым годом, в том числе и с точки зрения автономного энергообеспечения «умного дома». Разберём подробнее, выгодны ли солнечные батареи в частном доме, какие их виды имеются в продаже, каковы нюансы их использования для получения электричества и отопления помещений.

Принцип работы солнечных батарей

Принцип работы солнечной энергоустановки основывается на полупроводниковом эффекте. Впервые данный эффект был открыт французским физиком Беккерелем ещё в первой половине 19 века. Реально действующий полупроводник был создан в 1873г., однако, до середины ХХ века не удавалось создать эффективно работающей солнечной батареи, способной вырабатывать значительное количество электричества.

Основу конструкции составляет кремний, как один из наиболее эффективных полупроводников. Из него изготавливаются фотоэлементы, составляющие верхний слой пластин батареи. Под воздействием солнечных лучей в блоке преобразователя начинается высвобождение из атомов кремния отрицательно заряженных частиц. Высвободившиеся электроны захватываются атомами нижерасположенной пластины. В соответствии с физическими законами они стремятся вернуться в своё первоначальное положение.

Возвращаясь в верхнюю кремниевую пластину, они перемещаются по тонким проводам, при этом частью своей энергии заряжая аккумулятор, подключённый к фотоэлементам. Работа солнечных батарей, созданных на основании монокристаллической методики нанесения кремниевого слоя, намного эффективней. Это связано с тем, что в данном случае образуемая кремнием кристаллическая решётка имеет меньшее число граней, а это даёт электронам возможность прямолинейного передвижения.

Классификация солнечных батарей

На сегодня существует большое количество преобразователей солнечной энергии, которые условно классифицируются по нескольким признакам. По количеству вырабатываемой электроэнергии солнечные панели бывают:

• Маломощные, предназначаемые для электропитания и подзарядки различных гаджетов – ноутбуков, смартфонов, переносных приборов, небольших телевизоров и т.д.
• Универсальные. Способны обеспечить энергией не только маломощные устройства, но и некоторые бытовые приборы, например, лампы освещения.
• Собственно солнечные батареи, состоящие из целого ряда фотоэлементов, закреплённых на подложке. Такие панели могут применяться для энергообеспечения коттеджа, подсобных надворных построек, для дачи.

По своей конструкции электрогенераторы, работающие на солнечной энергии, подразделяют на:

• Фотоэлектрические. Представляют собой полупроводниковую конструкцию, в которой происходит преобразование тепловой энергии солнца прямиком в электроэнергию. Несколько фотоэлементов объединяются в единую батарею, действующую по принципу полупроводников, описанному выше.
• Гелиоэлектростанции. Генерирующие устройства данного типа концентрируют энергию солнца, направляя её на движение турбин или прочих устройств, вырабатывающих ток. Принцип концентрации состоит в использовании линз, либо зеркальных поверхностей вогнутой формы. Сфокусированный солнечный луч направляется на некую ёмкость с теплоносителем, который закипает и превращается в перегретый пар. Далее пар пропускается через турбины, вращая их, и вырабатывая электрический ток. В данном случае работа солнечных батарей менее эффективна, так как значительная часть энергии тратится на нагрев и испарение теплоносителя.
• Тепловые коллекторы – солнечные батареи для отопления частного дома. Относятся к классу низкотемпературных устройств. Принцип действия их прост: аккумулируемая энергия солнечного излучения преобразуется в тепловую, идущую на нагрев воды в системе горячего водоснабжения и отопительном контуре дома. Эффективность работы солнечных батарей подобного типа напрямую зависит от их площади: чем она больше, тем до высших показателей они разогревают воду.

Солнечная энергия для отопления

Одна из областей применения гелиоустановок в системе «умный дом», это отопление помещений в холодное время года, а также нагрев воды, используемой для бытовых нужд в системах горячего водоснабжения. Современные модели солнечных панелей и коллекторов могут функционировать и в зимнее время, когда температура воздуха опускается до -30^оС. Таким образом, они могут составить достойную конкуренцию традиционным способам обогрева частного дома.

Принцип работы панелей с фотоэлементами

Отопление дома от солнечных батарей может производиться двумя способами:

1. Методом непосредственного нагрева теплоносителя (воды, антифриза) в отопительной системе. Производится это с помощью концентрации солнечных лучей на баках-накопителях, или трубчатых контурах, по которым перемещается вода.
2. С помощью солнечных панелей, вырабатывающих электроэнергию. В данном случае работа солнечных батарей по обогреву жилья аналогична действию электроэнергии из общей энергосети.

Действуют панели с фотоэлементами при нагреве воды в отопительном контуре по следующему принципу — комплекты солнечных батарей, превращая энергию лучей солнца в электроэнергию, заряжают аккумуляторные батареи. От них ток поступает в инверторы, преобразующие его по напряжению, частоте, силе. Оттуда электричество подаётся непосредственно на нагревательные приборы, например, на электрокотел.

Эффективность использования фотоэлементов

Преимущество солнечных панелей перед гелиоколлекторами состоит в возможности аккумуляции электричества. А это, в свою очередь, позволяет интегрировать водонагревательную систему, основанную на солнечных батареях, в комплекс «умный дом». Для этого можно использовать датчики и реле, самостоятельно запускающие электроподогрев отопительной системы при снижении температуры ниже установленных показателей.

Также возможно подключение внешнего управления процессом поддержания тепла в доме при помощи интернет-соединения и любого гаджета, имеющего выход во всемирную паутину – смартфона, ноутбука, ПК. Эффективность использования фотоэлементов, по сравнению с гелиоколлекторами состоит в возможности автономной или управляемой регулировки их работы. Наличие заряжаемой аккумуляторной батареи позволяет меньше зависеть от капризов погоды, всегда поддерживать комфортную температуру во внутренних помещениях.

Виды солнечных батарей

Сегодня существует несколько видов солнечных батарей, различающихся по своей конструкции и эксплуатационно-техническим показателям.

Монокристаллические солнечные панели

Поликристаллические солнечные панели

Тонколистовые солнечные панели

Монокристаллические

При изготовлении монокристаллических панелей используют кремний высокой степени очистки. Получить подобный материал возможно только промышленным способом с применением специальных технологий. Такие гелиосистемы довольно дорогостоящи, но отличаются большим КПД, который составляет в среднем 15-20%, а в отдельных случаях достигая даже 20%.

Поликристаллические

В данных конструкциях кремний наносится на основание поликристаллическим способом, что снижает эффективность работы солнечных батарей. Дело в том, что в таких кристаллических решётках электроны не могут передвигаться прямолинейно, и отдают в единицу времени меньше заряда. Метод изготовления поликристаллических панелей состоит в нанесении расплавленного кремния на основание, с последующим медленным охлаждением.

Поверхность их отличается ярко-синим цветом. Такие модификации гелиосистем имеют меньшую себестоимость, но и эффективность их также невысока. КПД поликристаллических панелей не превышает 10-12%. Следовательно, для получения 1 Вт электроэнергии потребуется большая площадь фотоэлементов, чем при использовании монокристаллических батарей. А это нивелирует их основное преимущество – низкую стоимость.

Тонколистовые

Тонколистовые солнечные панели изготавливают из аморфного кремния, который наносится на тонкую гибкую основу. Сверху кремниевый слой покрывается защитной плёнкой, предохраняющей его от механических повреждений. Подобные конструкции имеют самую низкую цену за квадратный метр, но, вместе с тем, и самую низкую эффективность. КПД их составляет всего лишь 5-7%. Также невысок и срок их эксплуатации: со временем их технические качества ещё больше снижаются.

Установка солнечных батарей на крыше

Эффективность работы гелиопанелей во многом зависит от правильного их размещения. При установке солнечной батареи на крышу дома, следует соблюдать ряд правил. Во-первых, устанавливать их нужно с наиболее освещённой стороны, то есть с южной и восточной. Другой немаловажный фактор, это угол наклона панели по отношению к горизонту. Поскольку солнце движется под некоторым углом к земле, то и его лучи падают также под наклоном.

Как использовать солнечные батареи, чтобы максимально полно улавливать солнечное излучение? Специалисты рекомендуют выбирать угол наклона плоскости батареи в соответствии с широтным расположением населённого пункта. Например, Москва находится на широте 55 градусов, значит, и солнечную батарею на московских крышах лучше всего устанавливать под углом 55^опо отношению к плоскости земли.

Плюсы и минусы альтернативной отопительной системы

Дом с солнечными батареями, несомненно, является высокотехнологичным продуктом научно-технического прогресса. Однако, системы обогрева, основанные на использовании солнечной энергии, имеют как свои неоспоримые достоинства, так и недостатки. К плюсам следует отнести:

• Экологичность технологии. При выработке «солнечного электричества» не выделяется никаких вредных для человека и природы веществ. Чего нельзя сказать при использовании для нагрева отопительного котла угля или дров.
• Полная автономность. Нагревательные гелиоустановки позволяют абсолютно не зависеть от коммунальных служб, и от их сезонного графика отключения-подключения отопления.
• Отсутствие бюрократических проблем. Для установки и подключения систем солнечного энергоснабжения не потребуется получение разрешительных документов от всевозможных инстанций.

Но имеется в этой достаточно благостной картине и своя ложка дёгтя. Это вопрос окупятся ли солнечные батареи, установленные в частном доме. Стоимость панелей высока, а для нормального автономного функционирования жилого дома требуется значительная площадь генерирующих поверхностей. Как показывают расчёты, полностью окупятся они не ранее трёх лет с начала использования. И то, это при условии активной эксплуатации и размещения в регионе с высоким уровнем солнечного излучения. В районах, где количество ясных дней невелико, сроки окупаемости будут ещё длиннее.

И все же солнечная энергетика на данный момент является одним из самых перспективных сфер развития научно-технического прогресса. Благодаря новым разработкам и научным открытиям, эффективность гелиоэнергетики будет расти, а себестоимость наоборот — снижаться. Всё это делает использование солнечных батарей в системе «умный дом» достаточно правильным решением.

Принципы проектирования солнечных батарей

| PVEducation

Конструкция солнечного элемента включает определение параметров структуры солнечного элемента с целью максимизации эффективности с учетом определенного набора ограничений. Эти ограничения будут определяться рабочей средой, в которой производятся солнечные элементы. Например, в коммерческой среде, где целью является производство солнечного элемента по конкурентоспособной цене, необходимо учитывать стоимость изготовления конкретной конструкции солнечного элемента.Однако в исследовательской среде, где целью является создание высокоэффективной ячейки лабораторного типа, главным соображением является максимизация эффективности, а не стоимости.

Эволюция эффективности кремниевых солнечных элементов.

Теоретическая эффективность фотоэлектрического преобразования превышает 86,8%. Однако цифра 86,8% основана на подробных расчетах баланса и не описывает реализацию устройства. Для кремниевых солнечных элементов более реалистичный КПД при работе на одном солнце составляет около 29%.Максимальный КПД кремниевого солнечного элемента в настоящее время составляет 24,7% при AM1.5G. Разница между высокой теоретической эффективностью и эффективностью, измеренной на земных солнечных элементах, в основном объясняется двумя факторами. Во-первых, теоретические прогнозы максимальной эффективности предполагают, что энергия каждого фотона используется оптимально, что нет непоглощенных фотонов и что каждый фотон поглощается материалом, ширина запрещенной зоны которого равна энергии фотона. Теоретически это достигается путем моделирования бесконечного набора солнечных элементов из различных материалов запрещенной зоны, каждый из которых поглощает только фотоны, которые точно соответствуют его ширине запрещенной зоны.

Второй фактор заключается в том, что прогнозы высокой теоретической эффективности предполагают высокий коэффициент концентрации. Предполагая, что температура и резистивные эффекты не преобладают в солнечном элементе-концентраторе, увеличение интенсивности света пропорционально увеличивает ток короткого замыкания. Поскольку напряжение холостого хода (V _oc ) также зависит от тока короткого замыкания, V _oc логарифмически увеличивается с уровнем освещенности. Кроме того, поскольку максимальный коэффициент заполнения (FF) увеличивается с V _oc , максимально возможный FF также увеличивается с концентрацией.Дополнительный V _oc и FF увеличивается с концентрацией, что позволяет концентраторам достигать более высокой эффективности.

При разработке таких однопереходных солнечных элементов используются следующие принципы повышения эффективности элементов:

• увеличение количества света, собираемого ячейкой, которая превращается в носители;
• увеличивает сбор генерируемых светом носителей за счет перехода p-n ;
• минимизирует темновой ток прямого смещения;
• извлекает ток из ячейки без резистивных потерь.

Солнечная энергетическая система — как она работает?

Излишне говорить, что Солнце — самый большой источник возобновляемой энергии для Земли. Дело в том, что хотя Земля получает только часть энергии, генерируемой Солнцем (то есть солнечной энергии), эта часть солнечной энергии также чрезвычайно велика. Земля получает солнечную энергию в виде света и тепла. Но в современном мире слова «мощность» и «энергия» больше склоняются к «электричеству». В этой статье рассказывается о , как электричество извлекается из солнечной энергии и как оно используется.

Как работает солнечная энергия?

Электроэнергия может быть получена из солнечной энергии с помощью фотоэлектрических или концентрированных систем солнечной энергии.

Фотогальваника (PV)

Фотоэлектрические элементы напрямую преобразуют солнечную энергию в электричество . Они работают по принципу фотоэлектрического эффекта. Когда некоторые материалы подвергаются воздействию света, они поглощают фотоны и выделяют свободные электроны. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом. Фотоэлектрический эффект — это метод производства электричества постоянного тока, основанный на принципе фотоэлектрического эффекта.На основе принципа фотоэлектрического эффекта изготавливаются солнечные элементы или фотоэлектрические элементы. Они преобразуют солнечный свет в электричество постоянного тока. Но один фотоэлектрический элемент не производит достаточного количества электроэнергии. Таким образом, количество фотоэлектрических элементов смонтированы на опорной раме и электрически соединены друг с другом с образованием фотогальванический модуль или панель солнечных батарей . Обычно доступные солнечные панели варьируются от нескольких сотен ватт (скажем, 100 ватт) до нескольких киловатт (когда-нибудь слышали о солнечной панели мощностью 5 кВт?).Они доступны в разных размерах и в разных ценовых диапазонах. Солнечные панели или модули предназначены для подачи электроэнергии при определенном напряжении (скажем, 12 В), но вырабатываемый ими ток напрямую зависит от падающего света. На данный момент ясно, что фотоэлектрические модули вырабатывают электричество постоянного тока. Но в большинстве случаев нам требуется питание переменного тока, и, следовательно, солнечная энергетическая система также состоит из инвертора.

Фотоэлектрическая солнечная энергетическая установка

В соответствии с требованиями к мощности несколько фотоэлектрических модулей электрически соединены вместе, чтобы сформировать фотоэлектрическую матрицу и достичь большей мощности.Существуют разные типы фотоэлектрических систем в зависимости от их реализации.

• Фотоэлектрические системы прямого действия: Эти системы обеспечивают нагрузку только при ярком солнце. Нет накопления генерируемой энергии и, следовательно, отсутствуют батареи. Инвертор может использоваться или не использоваться в зависимости от типа нагрузки.
• Автономные системы: Этот тип системы обычно используется в местах, где электроснабжение от сети недоступно или ненадежно. Внесетевые солнечные энергосистемы не подключены ни к какой электросети.Он состоит из солнечных панелей, аккумуляторных батарей и инверторных схем.
• Системы, подключенные к сети: Эти солнечные энергетические системы связаны с сетями, так что избыточная требуемая мощность может быть получена из сети. Они могут питаться или не питаться батареями.

Концентрированная солнечная энергия

Как следует из названия, в этом типе солнечной энергетической системы солнечные лучи концентрируются (фокусируются) на небольшой площади путем размещения зеркал или линз на большой площади. Из-за этого в фокусируемой области выделяется огромное количество тепла.Это тепло можно использовать для нагрева рабочей жидкости, которая может дополнительно приводить в действие паровую турбину. Существуют различные типы технологий, которые основаны на концентрированной солнечной энергии для производства электроэнергии. Некоторые из них — параболический желоб, тарелка Стирлинга, солнечная энергетическая башня и т. Д. На следующей схеме показано, как работает солнечная энергетическая башня.

Что такое фотоэлектрическая или солнечная батарея? — Определение, строительство, работа и установка

Определение: Фотоэлектрический элемент — это полупроводниковое устройство, преобразующее свет в электрическую энергию.Напряжение, создаваемое фотоэлементом, зависит от интенсивности падающего на него света. Название «Фотоэлектрические» связано с их способностью генерировать напряжение.

Электроны полупроводникового материала связаны ковалентной связью. Электромагнитное излучение состоит из частиц небольшой энергии, называемых фотонами. Когда фотоны падают на полупроводниковый материал, электроны получают энергию и начинают излучать.

Электрон, возбуждающий энергию, известен как фотоэлектроны.А явление испускания электронов известно как фотоэлектрический эффект. Работа фотоэлектрического элемента зависит от фотоэлектрического эффекта.

Строительство фотоэлектрических элементов

Полупроводниковые материалы, такие как арсенид, индий, кадмий, кремний, селен и галлий, используются для изготовления фотоэлементов. В основном для изготовления элемента используются кремний и селен.

Рассмотрим рисунок ниже, показывающий конструкции кремниевого фотоэлемента.Верхняя поверхность ячейки сделана из тонкого слоя материала p-типа, так что свет может легко проникать в материал. Металлические кольца размещены вокруг материала p-типа и n-типа, который действует как их положительные и отрицательные выходные клеммы соответственно.

Мультикристаллический или монокристаллический полупроводниковый материал составляет единицу фотоэлемента. Монокристаллическая ячейка вырезана из объема полупроводникового материала. Многоклеточные элементы получают из многогранного материала.

Выходное напряжение и ток, полученные от одного элемента ячейки, очень меньше. Величина выходного напряжения составляет 0,6 В, а тока — 0,8 В. Различные комбинации ячеек используются для увеличения выходной эффективности. Есть три возможных способа объединения фотоэлементов.

Комбинация фотоэлементов серии

Если более двух ячеек соединены последовательно друг с другом, то выходной ток ячейки остается прежним, а их входное напряжение удваивается.На приведенном ниже графике показана выходная характеристика фотоэлементов при последовательном соединении.

Параллельная комбинация фотоэлементов

При параллельном соединении ячеек напряжение остается прежним, а величина тока удваивается. Ниже представлена ​​характеристическая кривая параллельной комбинации ячеек.

Последовательно-параллельная комбинация фотоэлементов

В последовательно-параллельной комбинации ячеек величина как напряжения, так и тока увеличивается.Таким образом, солнечные панели изготавливаются с использованием последовательно-параллельной комбинации ячеек.

Солнечный модуль построен путем соединения отдельных солнечных элементов. И комбинация солнечных модулей вместе известна как солнечная панель.

Работа фотоэлемента

Свет, падающий на полупроводниковый материал, может проходить или отражаться через него. Фотоэлемент изготовлен из полупроводникового материала, который не является ни полным проводником, ни изолятором. Это свойство полупроводникового материала делает его более эффективным для преобразования световой энергии в электрическую.

Когда полупроводниковый материал поглощает свет, его электроны начинают излучать. Это происходит потому, что свет состоит из небольших заряжающих энергией частиц, называемых фотонами. Когда электроны поглощают фотоны, они получают энергию и начинают двигаться в материал. Из-за действия электрического поля частицы движутся только в одном направлении и развивают ток. Полупроводниковые материалы имеют металлические электроды, через которые проходит ток.

Обратите внимание, что на рисунке ниже показан фотоэлемент, сделанный из кремния, и резистивная нагрузка подключена к нему.Фотоэлектрическая ячейка состоит из слоев полупроводникового материала P- и N-типа. Эти слои соединяются вместе, образуя PN-переход.

Соединение — это поверхность раздела между материалами p-типа и n-типа. Когда свет падает на переход, электроны начинают перемещаться из одной области в другую.

Как установить солнечную батарею на солнечную электростанцию?

Трекер точки максимальной мощности, инвертор, контроллер заряда и аккумулятор — это название устройства, используемого для преобразования излучения в электрическое напряжение.

Трекер максимальной мощности — это особый вид цифрового трекера, который отслеживает положение солнца. Эффективность фотоэлемента зависит от интенсивности падающего на него солнечного света. Сила солнца меняется со временем из-за движения земли. Поэтому для максимального поглощения света панель необходимо перемещать вместе с солнцем. Таким образом, трекер максимальной мощности используется с солнечной панелью.

Контроллер заряда — Контроллер заряда регулирует напряжение, подаваемое с панели.Он также защищает аккумулятор от перезарядки или перенапряжения.

Инвертор — Инвертор преобразует постоянный ток в переменный и наоборот. Преобразование необходимо, потому что некоторым приборам для работы требуется источник переменного тока.

Как фотоэлектрические элементы вырабатывают электричество

Мы прошли долгий путь к пониманию полупроводников, чтобы увидеть, как они связаны с производством солнечных элементов. Солнечный элемент является важным PN-переходом с большой площадью поверхности.Материал N-типа остается тонким, чтобы свет мог проходить через PN-переход.

Свет распространяется в виде пакетов энергии, называемых фотонами. Генерация электрического тока происходит внутри зоны истощения PN перехода. Область обеднения, как объяснялось ранее с диодом, — это область вокруг PN перехода, где электроны из кремния N-типа диффундируют в отверстия материала P-типа. Когда фотон света поглощается одним из этих атомов в кремнии N-типа, он вытесняет электрон, создавая свободный электрон и дырку.Свободный электрон и дырка обладают достаточной энергией, чтобы выпрыгнуть из зоны обеднения. Если провод соединен от катода (кремний N-типа) к аноду (кремний P-типа), электроны будут проходить через провод. Электрон притягивается к положительному заряду материала P-типа и проходит через внешнюю нагрузку (измеритель), создавая поток электрического тока. Отверстие, созданное вытесненным электроном, притягивается к отрицательному заряду материала N-типа и перемещается к заднему электрическому контакту. Когда электрон попадает в кремний P-типа через задний электрический контакт, он соединяется с отверстием, восстанавливая электрическую нейтральность.

Светодиоды

A Светоизлучающий диод (LED) очень похож на стандартный диод, который мы уже рассматривали. Светодиоды предназначены для излучения света на PN-переходе. При прямом смещении возбужденные электроны кремния N-типа в сочетании с дырками в силиконе P-типа испускают фотоны света. Обычно светодиоды излучают только один цвет света.Производитель может регулировать частоту излучаемого светом светодиода от инфракрасного до ультрафиолетового.

Использование группы параллельных светодиодов для выработки электроэнергии из света.

Что обычно не известно, так это то, что большинство PN-переходов являются фотоэлектрическими. В то время как солнечные элементы изготавливаются с PN-переходом большой площади, для сравнения, у светодиодов небольшая площадь поверхности. Мы можем показать фотоэлектрический эффект, подключив 10 светодиодов параллельно. Под воздействием солнечного света светодиоды явно вырабатывают электрический ток.Смотрите фотографию. Десять светодиодов не вырабатывают столько электроэнергии, как солнечный элемент, но они демонстрируют фотоэлектрические свойства PN-перехода.

Предыдущая страница

STELR | Теория солнечных батарей

РИСУНОК 7: СОЛНЕЧНАЯ ПАНЕЛЬ СОСТАВЛЯЕТСЯ ИЗ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫХ ДЛЯ ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ ДОЛЖНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

Солнечные панели и солнечные батареи

Солнечная панель состоит из набора солнечных элементов, соединенных последовательно и / или параллельно для получения желаемого напряжения и тока.Солнечные элементы установлены в раму.

Один солнечный элемент имеет выходное напряжение около 0,6 В постоянного тока. В солнечной панели последовательно соединены модули из 60 — 72 солнечных элементов. Это дает номинальное выходное напряжение = 24 В постоянного тока. Максимальное напряжение может быть больше 36 В.

Солнечная батарея (также известная как массив фотоэлементов) — это набор солнечных панелей, соединенных в сеть, как показано на рисунке 7. Солнечные батареи используются на крышах зданий, включая дома и школы, для удовлетворения их потребностей в энергии.

Иногда солнечные батареи могут вырабатывать больше электроэнергии, чем требуется. Произведенная избыточная электрическая энергия может быть продана обратно в электросеть.

РИСУНОК 8: СОЛНЕЧНЫЕ ПАНЕЛИ ПОДКЛЮЧАЮТСЯ ПАРАЛЛЕЛЬНО ДРУГОМУ В Массив.

Солнечная электроэнергия для зданий

Солнечная система на крыше — это название, данное солнечной батарее на крыше здания, вместе с электрической схемой, которая должна быть установлена ​​для соединения солнечной батареи с электрическими схемами в здании.

Электрический ток, вырабатываемый солнечным элементом, представляет собой постоянный ток. Однако электрические приборы работают с переменным током (AC), который постоянно меняет направление, в котором он течет. По этой причине в солнечную систему на крыше необходимо установить устройство, известное как инвертор, для преобразования постоянного тока в переменный.

Произведенная электрическая энергия, которая не требуется в данный момент, может составлять:

1. «Хранится» в банке батарей, подключенных к солнечной системе, поэтому он доступен в ночное время; или
2. «Введен» в электросеть (если здание объединено в одну).

Когда здание находится в удаленном районе и не подключено к электросети, необходим блок батарей для хранения электроэнергии в ночное время, когда солнечные панели не могут вырабатывать электричество.

Батареи накапливают электрическую энергию, преобразовывая ее в химическую энергию. Когда аккумулятор подключен к электрической цепи, химическая энергия снова преобразуется в электрическую.

Когда электрическая энергия возвращается в электросеть, счетчик измеряет поданную электрическую энергию.

РИСУНОК 9: ФЭМ (СОЛНЕЧНАЯ) МАССА ПОДКЛЮЧАЕТСЯ К ИНВЕРТОРУ ДО ПОДАЧИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ В БЫТОВУЮ ПРОВОДКУ.

Преимущества и недостатки солнечных батарей

РИСУНОК 10: СНЕГ БЛОКИРУЕТ СВЕТ, ДОХОДЯЩИЙ НА СОЛНЕЧНЫЕ ЯЧЕЙКИ

Преимущества солнечных панелей

• Это возобновляемый источник энергии. Солнечная энергия будет доступна в течение миллионов лет, и ее более чем достаточно для удовлетворения всех мировых потребностей в энергии.
• Солнечная энергия предоставляется бесплатно, а солнечные панели имеют долгий срок службы. (Они могут прослужить до 50 лет.) Поэтому они являются хорошей долгосрочной инвестицией.
• Во время работы солнечные панели не выделяют парниковые газы или другие загрязнители. И поскольку они служат до 50 лет, они скоро более чем компенсируют парниковые газы, выделяемые при их производстве, особенно если они заменяют загрязняющие формы освещения, такие как керосиновые лампы.
• Работают без шума.
• Их можно использовать в удаленных районах, где нет доступа к электросети.
• Вырабатываемая тепловая энергия также может использоваться для нагрева воды.

Недостатки солнечных батарей

• Регулируемая сила света благодаря:
• Цикл между днем ​​и ночью
• Путь Солнца по небу
• Облака
• Тени
• Изменение угла падающего солнечного света к лицевой стороне панели из-за изменения положения Солнца на небе
• Грязь или другие препятствия
• Они не производят электроэнергию ночью, когда больше всего электроэнергии требуется в домах.
• Как они выглядят
• Расстояние до сетевых подключений (для солнечных ферм).
• Солнечные панели на основе кремния содержат некоторые токсичные материалы, и энергия требуется для добычи и транспортировки сырья, а также для производства, транспортировки и установки панелей, что означает, что на этих этапах образуются парниковые газы и различные загрязняющие вещества.
• Имеют низкую энергоэффективность.

Принципы солнечных элементов, светодиодов и диодов: роль PN-перехода

Введение xi

Благодарности xv

1 Физика полупроводников 1

1.1 Введение 2

1.2 Теория полос твердого тела 2

1.3 Модель Кронига – Пенни 3

1.4 Модель Брэгга 8

1.5 Эффективная масса 8

1.6 Число состояний в полосе 10

1.7 Заполнение полосы 12

1,8 Энергия Ферми и дырки 14

1,9 Концентрация носителей 15

1.10 Полупроводниковые материалы 25

1.11 Зонные диаграммы полупроводников 26

1.12 Прямые и непрямые полупроводники 29

1.13 Внешние полупроводники 35

1.14 Транспорт носителей в полупроводниках 40

1.15 Равновесная и неравновесная динамика 43

1.16 Диффузия носителей и соотношение Эйнштейна 45

1.17 Квази-фермиевские энергии 48

50 1.18 Диффузия Ловушки и время жизни носителей 53

1.20 Alloy Semiconductors 56

1.21 Резюме 59

Рекомендации для дальнейшего чтения 61

Проблемы 63

2 PN-переходный диод 69

2.1 Введение 70

2.2 Ток диода 72

2.3 Контактный потенциал 75

2.4 Приближение истощения 78

2.5 Уравнение диода 85

2.6 Обратный пробой и стабилитрон 97

2.7 Туннельные диоды 100

2,8 Рекомбинационные токи 101

2.9 Омические контакты, барьеры Шоттки и диоды Шоттки 104

2.10 Гетеропереходы 113

2.11 Переменный ток (AC) и переходные процессы 115

2.12 Резюме 117

Предложения для дальнейшего чтения 118

Проблемы 119

3 Эмиссия и поглощение фотонов 123

3.1 Введение в люминесценцию и поглощение 124

3.2 Физика излучения света 125

3.3 Простой гармонический излучатель 9 128

3.4 Квантовое описание 129

3.5 Экситон 132

3.6 Двухэлектронные атомы 135

3.7 Молекулярные экситоны 141

3.8 межзонных переходов 144

3.9 Фотометрические единицы 148

3.10 Резюме 152

Рекомендации для дальнейшего чтения 153

Проблемы 155

4 Солнечная батарея 159

4.1 Введение 160

4.2 Поглощение света

4.3 Солнечное излучение 164

4.4 Конструкция и анализ солнечных элементов 164

4.5 Тонкие солнечные элементы 172

4.6 Генерация солнечных элементов в зависимости от глубины 176

4.7 Эффективность солнечных элементов 179

4.8 Технология кремниевых солнечных элементов: подготовка пластины 184

4.9 Технология кремниевых солнечных элементов: отделка солнечных элементов 187

4.10 Технология кремниевых солнечных элементов: передовые методы производства 191

4.11 Тонкопленочные солнечные элементы: аморфный кремний 192

4.12 Теллуридные / селенидные / сульфидные тонкопленочные солнечные элементы 199

4.13 Высокоэффективные многопереходные солнечные элементы 200

4.14 Концентрирующие солнечные системы 203

4.15 Резюме 204

Предложения для дальнейшего чтения 205

Проблемы 207

5 Светоизлучающие диоды 215

5.1 Введение 216

5.2 Работа светодиодов и структура устройства 217

5.3 Спектр излучения 220

5.4 Отсутствие излучения 221

5.5 Оптическая развязка 223

5.6 Светодиоды GaAs 225

5,7 GaAs1− x P x Светодиоды 226

5,8 Двойной гетеропереход Al x Ga1− x As светодиоды 228

5.9 Светодиоды AlGaInP 234

5,10 Ga1− x In x N Светодиоды 236

5,11 Светодиодные структуры для улучшенной развязки и выходной мощности 244

5,12 Сводка 247

Предложения для дальнейшего чтения 248

52 Проблемы 6 Органические полупроводники, OLED и солнечные элементы 253

6.1 Введение в органическую электронику 254

6.2 Сопряженные системы 255

6.3 Полимерные OLED 260

6.4 OLED с малыми молекулами 266

6.5 Материалы анода 270

6.6 Материалы катода 270

6.7 Слой инжекции с отверстиями 271

6,8 Слой инжекции электронов 272

6,9 Слой транспорта с отверстиями 272

6,10 6,11 9000 Транспортный слой для электронов Процессы испускания материалов 276

6.12 Материалы-хозяева 278

6.13 Флуоресцентные добавки 279

6,14 Фосфоресцентные добавки 283

6,15 Органические солнечные элементы 283

6.16 Органические материалы солнечных элементов 289

6.17 Резюме 292

Предложения для дальнейшего чтения 294

Проблемы 295

Приложение 1: Физические константы 301

Приложение 2: Свойства полупроводниковых материалов 303 Приложение 3: Функция распределения Больцмана 305

Индекс 309

Принцип фотоэлектрического эффекта

Принцип фотоэлектрического эффекта

Фотогальванический эффект был открыт г.Александр Эдмон Беккерель в 1839 году.

Под фотоэлектрическим эффектом понимается испускание или выброс электронов пеной с поверхности металла, как правило, в ответ на падающий свет.

Из-за падающего света на полупроводниковый материал фотоны взаимодействуют с кристаллической решеткой и высвобождают свободные электроны из валентного слоя атомов. В результате образуются свободные носители заряда, электронно-дырочные пары. Эти носители передаются контактам солнечного элемента, генерирующего электрический ток.

Фотоэлектрическая энергия относится к наиболее перспективным альтернативным источникам энергии.

Фотоэлектрические солнечные панели, состоящие из фотоэлементов, могут быть собраны в такие блоки, как батареи. Таким образом, фотоэлектрическую систему можно легко расширить. Фотоэлектрические панели не нужно надежно прикреплять к крыше. В отпуске можно использовать переносные панели, они очень компактны и подходят для питания небольших электроприборов. Для зарядки аккумуляторов выгодно использовать панели, что экономит время и деньги.

Другое использование фотоэлектрических панелей может быть размещено в саду в качестве источника питания садовых фонарей и переносных фонарей. Это устраняет необходимость в проведении монтажных работ и земляных работ.

Футурологи предсказывают, что в течение нескольких десятилетий фотоэлектрические панели будут производить двадцатую часть мировых потребностей в электроэнергии. Сегодня существуют фотоэлектрические системы, потребляющие электроэнергию ночью или во время ограниченного солнечного света из сети, и наоборот, подающие энергию в электросеть, когда есть избыток фотоэлектрической электроэнергии.

Использование фотоэлектрических систем выгодно, потому что солнечный свет распространяется по всему миру бесплатно. Фотоэлементы не меняют своих свойств со временем, а срок их службы очень велик (не менее 20 лет). Панели, установленные снаружи, устойчивы к дождю, снегу, граду и сильному морозу. Высокая температура не мешает работе панелей. Панели испытаны в аэродинамической трубе на скорость ветра до 180 км / ч

В Чехии очень много компаний, занимающихся продажей и установкой фотоэлектрических систем, однако 20-летний опыт производства солнечных элементов имеет только — SOLARTEC Ltd. из Рожнова-под-Радгоштем.

.

No related posts.