Солнечные батареи устройство и принцип работы: Принцип работы солнечной батареи

как работают и из чего состоят

Солнце – это неисчерпаемый источник энергии. Его можно использовать, сжигая деревья или нагревая воду в солнечных нагревателях, преобразуя полученное тепло в электроэнергию. Но есть устройства, превращающие солнечный свет в электричество напрямую. Это солнечные батареи.

Сфера применения

Есть три направления использования солнечной энергии:

• Экономия электроэнергии. Солнечные панели позволяют отказаться от централизованного электроснабжения или уменьшить его потребление, а также продавать излишки электричества электроснабжающей компании.
• Обеспечение электроэнергией объектов, подведение к которым линии электропередач невозможно или невыгодно экономически. Это может быть дача или охотничий домик, находящийся далеко от ЛЭП. Такие устройства используются также для питания светильников в отдаленных участках сада или автобусных остановках.
• Питание мобильных и переносных устройств. При походах, поездках на рыбалку и других подобных мероприятиях есть необходимость зарядки телефонов, фотоаппаратов и прочих гаджетов. Для этого также используются солнечные элементы.

Солнечные батареи удобно применять там, куда нельзя подвести электричествок содержанию ↑

Принцип работы

Элементы солнечных батарей представляют собой пластинки из кремния толщиной 0,3 мм. Со стороны, на которую попадает свет, в пластину добавлен бор. Это приводит к появлению избыточного количества свободных электронов. С обратной стороны добавлен фосфор, что приводит к образованию «дырок». Граница между ними называется p-n переход. При попадании света на пластину, он «выбивает» электроны на обратную сторону. Так появляется разность потенциалов. Вне зависимости от размера элемента, одна ячейка развивает напряжение 0,7 В. Для увеличения напряжения, их соединяют последовательно, а для повышения силы тока – параллельно.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

В некоторых конструкциях, для увеличения мощности, над элементами устанавливались линзы или использовалась система зеркал. С уменьшением стоимости батарей такие устройства стали неактуальными.

Максимальный КПД панели, а, следовательно, и мощность, достигается при падении света под углом 90 градусов. В некоторых стационарных устройствах батарея поворачивается вслед за солнцем, но это сильно удорожает и утяжеляет конструкцию.

Принцип работы солнечной батареик содержанию ↑

Преимущества и недостатки применения батарей

У солнечных панелей, как и у любых устройств, есть достоинства и недостатки, связанные с принципом действия и особенностями конструкции.

Достоинства солнечных батарей:

• Автономность. Позволяют обеспечить электроэнергией удаленные здания или светильники и работу мобильных устройств в походных условиях.
• Экономичность. Для выработки электроэнергии используется свет солнца, за который не нужно платить. Поэтому ФЭС (фотоэлектрические системы) окупаются за 10 лет, что меньше срока службы, составляющего более 30. Причем 25–30 лет – это гарантийный срок, а фотоэлектростанция будет работать и после него, принося прибыль владельцу. Конечно, необходимо учесть периодическую замену инверторов и аккумуляторных батарей, но все равно, использование такой электростанции помогает экономить средства.
• Экологичность. При работе устройства не загрязняют окружающую среду и не шумят, в отличие от электростанций, работающих на других видах топлива.

Кроме достоинств, у ФЭС есть недостатки:

• Высокая цена. Такая система стоит довольно дорого, особенно с учетом цены на аккумуляторные батареи и инверторы.
• Большой срок окупаемости. Средства, вложенные в фотоэлектростанцию, окупятся только через 10 лет. Это больше, чем основная масса других вложений.
• Фотоэлектрические системы занимают много места – всю крышу и стены здания. Это нарушает дизайн сооружения. Кроме того, аккумуляторные батареи большой емкости занимают целую комнату.
• Неравномерность выработки электроэнергии. Мощность устройства зависит от погоды и времени суток. Это компенсируется установкой аккумуляторных батарей или подключением системы к сети. Это позволяет в хорошую погоду днем продавать излишки электроэнергии электрокомпании, а ночью наоборот подключать оборудование к централизованному электроснабжению.

к содержанию ↑

Технические характеристики: на что обратить внимание

Главным параметром фотоэлементной системы является мощность. Напряжение такой установки достигает максимума при ярком свете и зависит от количества соединенных последовательно элементов, которое почти во всех конструкциях равно 36. Мощность зависит от площади одного элемента и количества цепочек по 36 штук, соединенных параллельно.

Кроме самих батарей, важно подобрать контроллер зарядки аккумуляторов и инвертор, преобразующий заряд аккумуляторных батарей в напряжение сети, а также сами панели.

В аккумуляторных батареях есть допустимый ток зарядки, который нельзя превышать, иначе система выйдет из строя. Зная напряжение аккумуляторов, легко определить мощность, необходимую для зарядки. Она должна быть больше мощности солнечной электростанции, иначе в солнечный день часть энергии окажется неиспользованной.

Контроллер обеспечивает заряд аккумуляторов и также должен иметь мощность, позволяющую полностью использовать энергию солнца.

К инвертору подключается оборудование, получающее энергию от ФЭС, поэтому его мощность должна соответствовать суммарной мощности электроприборов.

Кроме мощности и напряжения, важно выбрать фирму-производителя. Такое оборудование приобретается на срок несколько десятков лет, поэтому экономить на качестве нельзя. Производители, давно работающие на рынке, это понимают и дорожат своей репутацией. Можно почитать отзывы о них в интернете и выбрать с самыми положительными.

к содержанию ↑

Виды солнечных батарей

Кроме размера и мощности, панели отличаются способом, которым изготавливаются из кремния отдельные элементы.

Внешний вид моно- и поликристаллических панелей

Элементы из монокристаллического кремния

Элементы солнечных батарей, изготовленные из монокристаллического кремния, имеют форму квадрата с закругленными углами. Это связано с технологией изготовления:

• из расплавленного кремния высокой степени очистки выращивается кристалл цилиндрической формы;
• после остывания у цилиндра обрезаются края, и основание из круга принимает форму квадрата с закругленными углами;
• получившийся брусок разрезается на пластины толщиной 0,3 мм;
• в пластины добавляются бор и фосфор и на них наклеиваются контактные полоски;
• из готовых элементов собирается ячейка батареи.

Готовая ячейка закрепляется на основании и закрывается стеклом, пропускающим ультрафиолетовые лучи или ламинируется.

Такие устройства отличаются самым высоким КПД и надежностью, поэтому устанавливаются в важных местах, например, в космических аппаратах.

Фотоэлементы из мульти-поликристаллического кремния

Кроме элементов из цельного кристалла, есть устройства, в которых фотоэлементы изготавливаются из поликристаллического кремния. Технология производства похожа. Основное отличие в том, что вместо кристалла круглой формы используется прямоугольный брусок, состоящий из большого количества мелких кристаллов различных форм и размеров. Поэтому элементы получаются прямоугольной или квадратной формы.

В качестве сырья берутся отходы производства микросхем и фотоэлементов. Это удешевляет готовое изделие, но ухудшает его качество. Такие устройства имеют меньший КПД – в среднем 18% против 20–22% у монокристаллических батарей. Однако вопрос выбора достаточно сложный. У разных производителей цена одного киловатт мощности монокристаллических и поликристаллических панелей может быть одинаковой или в пользу любого вида устройств.

Фотоэлементы из аморфного кремния

В последние годы распространение получили гибкие батареи, которые легче жестких. Технология их изготовления отличается от технологии изготовления моно- и поликристаллических панелей – на гибкую основу, обычно стальной лист, напыляются тонкие слои кремния с добавками до достижения необходимой толщины. После этого листы разрезаются, к ним приклеиваются токопроводящие полоски и вся конструкция ламинируется.

Солнечные батареи из аморфного кремния

КПД таких батарей примерно в 2 раза меньше, чем у жестких конструкций, однако, они легче и более прочные за счет того, что их можно сгибать.

Такие приборы дороже обычных, но им нет альтернативы в походных условиях, когда основное значение имеет легкость и надежность. Панели можно нашить на палатку или рюкзак, и заряжать аккумуляторы во время движения. В сложенном виде такие устройства похожи на книгу или свернутый в рулон чертеж, который можно поместить в футляр, напоминающий тубус.

Кроме зарядки мобильных устройств в походе, гибкие панели устанавливаются в электромобилях и электросамолетах. На крыше такие приборы повторяют изгибы черепицы, а если в качестве основы использовать стекло, то оно приобретает вид тонированного и его можно вставить в окно дома или теплицу.

к содержанию ↑

Контроллер заряда для солнечных батарей

У прямого подключения панели к аккумулятору есть недостатки:

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

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

ШИМ-контроллер заряда

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

МРРТ-контроллер заряда

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

Такая система есть во всех современных инверторах и контроллерах зарядки

к содержанию ↑

Виды аккумуляторов, используемых в батареях

Различные виды аккумуляторов, которые можно использовать для солнечной батареи

Аккумуляторы – важный элемент системы круглосуточного электроснабжения дома солнечной энергией.

В таких устройствах используются следующие виды аккумуляторов:

• стартерные;
• гелевые;
• AGM батареи;
• заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы.

Аккумуляторы других типов, например, щелочные или литиевые дорогие и используются очень редко.

Все эти виды устройств должны работать при температуре от +15 до +30 градусов.

Стартерные аккумуляторы

Самый распространенный тип аккумуляторов. Они дешевы, но обладают большим током саморазряда. Поэтому через несколько пасмурных дней батареи разрядятся даже при отсутствии нагрузки.

Недостатком таких устройств является то, что при работе происходит газовыделение. Поэтому их необходимо устанавливать в нежилом, хорошо проветриваемом помещении.

Кроме того, срок службы таких аккумуляторов до 1,5 лет, особенно при многократных циклах заряд-разряд. Поэтому в долгосрочной перспективе эти устройства окажутся самыми дорогими.

Гелевые аккумуляторы

Гелевые аккумуляторы –изделия, не требующие обслуживания. При работе отсутствует газовыделение, поэтому их можно устанавливать в жилой комнате и помещении без вентиляции.

Такие устройства обеспечивают большой выходной ток, имеют высокую емкость и низкий ток саморазряда.

Недостаток таких приборов в высокой цене и небольшом сроке службы.

AGM батареи

Эти батареи имеют небольшой срок службы, однако, у них есть много преимуществ:

• отсутствие газовыделения при работе;
• небольшими размерами;
• большим количеством (около 600) циклов заряда-разряда;
• быстрым (до 8 часов) зарядом;
• хорошей работой при неполном заряде.

AGM батарея изнутри

Заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы

Такие устройства являются самыми надежными и имеют наибольший срок службы. Они обладают низким током саморазряда и высокой энергоемкостью.

Эти качества делают такие приборы наиболее популярными для установки в фотоэлементных системах.

к содержанию ↑

Как определить размер и количество фотоэлементов?

Необходимые размер и количество фотоэлементов зависит от напряжения, силы тока и мощности, которые нужно получить от батареи. Напряжение одного элемента в солнечный день равно 0,5 В. При облачности оно намного ниже. Поэтому для зарядки аккумуляторов 12 В, соединяются последовательно 36 фотоэлементов. Соответственно, для аккумуляторов 24 В необходимо 72 элемента и так далее. Общее их количество зависит от площади одного элемента и необходимой мощности.

Один квадратный метр площади батареи, с учетом КПД, может выдать приблизительно 150 Вт. Точнее можно определить по метеорологическим справочникам, показывающим количество солнечной радиации в месте установки гелиооэлектростанции или в интернете. КПД устройства указан в паспорте.

При изготовлении фотоэлектростации своими руками необходимое количество элементов определяется по мощности одного элемента в данном климате с учетом КПД.

Расчет количества солнечных батарей исходит из необходимого электричествак содержанию ↑

Эффективность солнечных батарей зимой

Несмотря на то что зимой солнце поднимается ниже, поток света уменьшается незначительно, особенно после выпадения снега.

Основных причин, по которым солнечные элементы зимой менее эффективны три:

• Меняется угол падения лучей. Для того чтобы сохранять мощность, угол наклона батареи необходимо менять хотя бы раз в сезон, а лучше каждый месяц.
• Снег, особенно влажный, налипает на поверхность устройства. Его необходимо убирать сразу после выпадения.
• Зимой меньше продолжительность светлого времени суток, а также больше пасмурных дней. Изменить это невозможно, поэтому приходится рассчитывать мощность батареи по зимнему минимуму.

к содержанию ↑

Правила установки

Максимальная мощность панели достигается в положении, при котором солнечные лучи падают перпендикулярно. Это необходимо учитывать при установке. Важно также учесть, в какое время суток минимальная облачность. Если угол наклона крыши и ее положение не соответствуют требованиям, то оно исправляется регулировкой основания.

Между батареей и крышей должен быть воздушный зазор 15–20 сантиметров. Это необходимо для протекания дождя и предохранения от перегрева.

Фотоэлементы плохо работают в тени, поэтому следует избегать располагать их в тени от зданий и деревьев.

Электростанции из солнечных фотоэлементов – это перспективный экологически чистый источник энергии. Их широкое применение позволит решить проблемы с нехваткой энергии, загрязнением окружающей среды и парниковым эффектом.

Предыдущая

Альтернативные источникиКак правильно осуществить установку солнечных батарей

Принцип работы солнечной батареи — как работает солнечная панель?

Если раньше люди были зависимы от централизованного энергоснабжения, то сейчас у всех есть хорошая альтернатива – солнечные батареи. Такое оборудование идеально для установки в частных домах, дачах, на промышленных объектах. Электростанции стали доступнее по цене и разнообразнее по видам и мощности. В этой публикации мы детальнее рассмотрим принцип работы солнечной батареи, ее виды и преимущества использования в быту и на производстве.

Устройство и история появления солнечных батарей

Человечество уже давно задумывалось об использовании неиссякаемой энергии солнца. Первые попытки предпринимались еще в двадцатом веке. Тогда была разработана концепция термальной электростанции. Однако на практике она показывала очень низкую эффективность, ведь концепция подразумевала трансформацию энергии солнца. Проанализировав первую неудачу, ученые пришли к выводу, что необходимо использовать солнечные лучи напрямую. Такой принцип был открыт в 1839 году. Его основал Александр Беккерель. Однако до появления первых полупроводников прошло немало лет. Они были изобретены лишь в 1873 году. Этот год можно назвать началом работы над современными прототипами электростанций.

Если говорить о том, из чего состоит солнечная батарея, то изначально стоит упомянуть фотоэлементы. Их можно назвать маленькими генераторами. Именно они выполняют основную функцию – собирают энергию солнца. Сегодня есть несколько видов солнечных панелей, о которых будет рассказано в следующем разделе. Однако, независимо от вида, современная панель представляет собой основу определенного размера, на которой размещаются вышеупомянутые фотоэлементы. Эти элементы очень хрупкие, поэтому они дополнительно защищаются стеклом и полимерной подложкой.

Однако солнечные панели – это лишь часть всей электростанции. Также в нее входят другие элементы:

1. Аккумуляторная батарея.
2. Контролер заряда.
3. Инвертор.
4. Стабилизатор.

Каждый из перечисленных устройств выполняет свою функцию. Аккумулятор – накапливает и хранит добытую энергию, контролер – контролирует мощность, подключает и отключает батарею, анализируя уровень заряда. Инвертор называют еще преобразователем. Это оборудование превращает прямой ток в переменный. Благодаря ему электричество можно использовать для бытовых целей. Последней составляющей электростанции является стабилизатор. Он защищает всю систему от скачков напряжения.

Какие виды солнечных батарей существуют?

Есть несколько классификационных признаков, по которым все солнечные панели делятся на разные виды:

1. Тип устройств.
2. Материал изготовления фотоэлектрического слоя.

По типу устройства выделяют два вида: гибкие и жесткие. Первый тип отличается своей пластичностью. Такую панель можно легко скрутить в трубочку, ничего не повредив. Твердая панель не меняет своей формы. По материалу изготовления есть три вида: аморфные, поликристаллические, монокристаллические.

Аморфные батареи могут быть гибкими. Они непривередливы к месту установки, но КПД такого устройства очень низкий. Он составляет не более шести процентов. Поликристаллические изделия отличаются низкой ценой. Однако они более эффективны в пасмурную погоду. В очень жаркую погоду их выработка снижается чуть больше чем у монокристаллических модулей.

Если необходим максимальный эффект от электростанции, то следует отдавать предпочтение панелям с монокристаллическими элементами. Уровень их КПД достигает двадцати пяти процентов. Монокристаллические панели являются более дорогими, так как монокристаллический кремний при производстве требует больших энерго и временных затрат.

Сфера применения солнечных батарей

С разработкой новых технологий и развитием концепции питания от солнечной энергии сфера применения панелей стала довольно широкой. Раньше такие устройства обычно устанавливались на небольших частных домах или дачах. Они применялись исключительно в бытовых нуждах, так как потребляемая мощность была минимальная. Сейчас же есть мощнейшие электростанции, показывающие высокую эффективность работы. По этой причине сфера применения панелей стала больше.

Интересный факт! Энергии, которую выделает Солнце за одну секунду, может хватить для обеспечения электричеством всего человечества на пятьсот тысяч лет.

Солнечные батареи стали активно применяться на промышленных и коммерческих объектах, позволяя значительно экономить на их энергоснабжении. Также панели устанавливают на сельскохозяйственных предприятиях, на фермах, военно-космических объектах. Менее мощные панели применяются для изготовления различных приспособлений для быта: фонариков, калькуляторов, зарядных устройств, др. Они служат источником энергии там, где нет возможности подключиться к центральной сети. Такие приспособления пользуются большим спросом у охотников, рыбаков, любителей походов.

Важно! Солнечные электростанции современного образца будут эффективны везде: как в доме, так и на большом промышленном объекте. Однако для этого они должны быть правильно подобраны по необходимой мощности. Расчет данного параметра должен осуществляться специалистом.

Как работает солнечная панель: принцип работы устройства простым языком

Если предстоит покупка солнечных батарей, то нужно обязательно ознакомиться не только с их устройством, но и с принципом работы. Итак, как работает солнечная панель? Несмотря на внешнюю простоту устройства, принцип работы такой электростанции довольно сложный. Он основан на фотоэлектрическом эффекте, который достигается при помощи фотоэлементов.

Солнечные панели собирают лучи. Они попадают на фотоэлектрический слой. Солнечный свет приводит к высвобождению электронов из двух слоев. На освободившиеся место из первого слоя встают электроны второго слоя. Происходит постоянное движение электронов, что приводит к естественному образованию напряжения на внешней цепи. В результате один из фотоэлектрических слоев приобретает отрицательный заряд, а второй – положительный.

Эти действия приводят в работу аккумулятор. Он начинает набирать и хранить заряд. При этом уровень заряда аккумулятора постоянно контролируется. Если он низкий, контролер включает в работу солнечную панель. В случае высокого заряда это же устройство панель отключает. Далее включается в работу инвертор. Он преобразовывает ток из постоянного в переменный. С его помощи на выходе электростанции появляется напряжение в 220 В. Это дает возможность подключать и питать от электростанции бытовые приборы.

Подключение солнечной панели

Эффективность и правильность работы солнечных батарей зависит не только от их вида, мощности, но и от установки и подключения. Должна быть разработана правильная схема подключения всех элементов электростанции и грамотно выбрано место для установки солнечных панелей. Такую работу можно доверять только профессионалам.

Не секрет, что выходное напряжение одной панели относительно невысокое. Обычно используются несколько батарей одновременно. Все панели должны подключаться параллельно-последовательным способом. Такой тип подключения позволяет обеспечивать максимальную эффективность работы оборудования.

Преимущества, недостатки панелей

Солнечные батареи стали дешевле, что сделало их доступнее для более широкого круга потребителей. Однако перед покупкой каждый человек должен детально ознакомиться с преимуществами и недостатками этого источниками энергоснабжения. Среди его неоспоримых достоинств стоит отметить следующие:

• экологическая безопасность. В наше время экология – это одна из насущных проблем. Солнечные электростанции работают без вреда окружающей среде. Они не выделяют при работе вредных веществ;
• быстрая окупаемость. Стоимость электричества, как для бытовых пользователей, так и для предприятий, постоянно растет. С установкой панелей удается полностью или частично перейти на альтернативный источник энергии, являющийся абсолютно бесплатным и доступным каждому. Благодаря этому, покупка и установка оборудования окупается за считанные годы работы;
• легкость использования электростанции. Несмотря на сложное устройство и принцип работы, эксплуатировать станцию довольно просто. Главное – следить за исправностью ее составляющих и не экономить на обслуживании, которое требуется не так часто;
• быстрая установка. Профессионалы монтируют все элементы станции буквально за несколько часов или дней (в зависимости от количества панелей, мощности, др.). Больше времени занимает подбор составляющих и покупка оборудования.

Недостатки у таких установок тоже имеются. Самый основной заключается в дороговизне оборудования. Однако не стоит забывать, что большой вклад при покупке быстро окупится многолетним бесплатным использованием энергии солнца. Вторым серьёзным недостатком солнечных панелей является их зависимость от внешних факторов. Эффективность их работы зависит от погоды, температурных условий, положения по отношению к Солнцу, от чистоты поверхности.

Как достичь максимальной эффективности работы батарей?

Солнечную электростанцию имеет смысл ставить только в регионах с длительным световым днем. Там, где день короткий, можно применять панели только в качестве дополнительного источника света, но не основного. Как уже было замечено, разные виды солнечных батарей имеют свой КПД. Чтобы добиться максимального эффекта, следует выбирать устройства с максимальной производительностью, несмотря на их дороговизну.

Большую роль будет играть правильность расчета мощности всей установки. Это позволит подобрать необходимый размер и количество панелей, мощность других комплектующих станции. Также залогом эффективной работы панелей является мощный аккумулятор. В системе должно быть два аккумулятора, особенно в зимнее время года. Второй аккумулятор позволит накапливать достаточно энергии для обеспечения электричеством объекта в короткие световые дни.

Нельзя забывать и о других факторах, которые влияют на работу станции. Панели должны быть расположены под правильным углом, их нужно обязательно держать в чистоте. В противном случае, КПД батарей будет значительно снижаться.

Как происходит работа солнечных батарей и перспективы.

Современное человечество давно уже начало понимать, что энергия, получаемая из нефтяных продуктов и газа далеко не бесконечна, а с современные темпы ее потребления скоро сведут на нет мировые запасы топлива. Полезные ископаемые из которых можно добыть хоть немного энергии рано или поздно закончатся. Будущее в этом направлении энергетики лежит в направлении природных стихий. В частности к таким стихиям можно отнести ветер, воду и, конечно же, солнце. По какому принципу происходит работа солнечных батарей?

Немного истории

Выясняем: когда стоит устанавливать солнечные батареи и как быстро они окупаются?

Принцип работы ветряного генератора и гидроэлектростанции в какой то мере схожи между собой, и не вызывают никаких затруднений в понимании, а вот преобразование энергии солнца в электроэнергию процесс не такой уж и простой, как может показаться на первый взгляд.

Если заглянуть в историю, то первым зарождением солнечной батареи  можно считать 1839 год. Именно в этом году французский ученый физик Александр Эдмон Беккерель, занимающийся в то время изучением солнечного спектра и влиянием его на тела, провел эксперимент и смог визуально доказать наличие фотогальванического эффекта.

Конечно, это было только подобие солнечной батареи в том виде, в котором она известна широкому кругу людей на планете. Но спустя почти полвека, в Америке, ученым Чарльзом Фриттсом было создано подобие самой первой солнечной батареи. И хоть коэффициент полезного действия такой батареи был около одного процента, это событие стало началом работы над освоением нового источника энергии на планете. Источника, который со временем сможет соперничать с ветряными генераторами и гидроэлектростанциями.

Широкое использование солнечных модулей началось с 1946 года, после того как работы по увеличению производительности устройств были запатентованы. А в 1957 году солнечные батареи уже были запущены в космос в составе искусственного спутника земли. Этот полет показал, что работа солнечных батарей может не только снабжать энергией спутники, а является единственным возможным источником питания для бесперебойной работы таких автономных устройств в космосе.

Устройство и принцип работы

В настоящее время солнечные преобразователи изготавливаются  преимущественно из кремния. Различают два вида современных технологий, на основе которых работают батареи. Первая это поликристаллическая и монокристаллическая. Поликристаллическая более дешевая и как следствие менее эффективная технология. Монокристаллическая более дорогая, что связанно в основном с трудоемкой технологией производства, а точнее выращивания, монокристаллов.

Несмотря на большую стоимость по сравнению со своим собратом, такая солнечная батарея дает больше электроэнергии и срок службы ее значительно дольше. Что в совокупности делает монокристаллический солнечный модуль наиболее привлекательным для применения его в повседневной жизни.

Работа солнечного элемента связана с его конструкцией. Состоит он из внешних пластин, выполненных из кремния, с разными свойствами проводимости и внутреннего слоя, состоящего из чистого  монокристаллического кремния. Внутренний слой обладает определенной проводимостью. Такую проводимость металла в физике называют еще дырочной проводимостью.  Один из внешних проводников тоньше противоположного слоя и покрыт специальным слоем, образующим цельный металлический контакт.

Список электропродуктов можно посмотреть тут.

При попадании на один из внешних слоев солнечного света образуется фотогальванический эффект. Он приводит к образованию в этом слое свободных электронов. Эти частицы получают дополнительную энергию и способны преодолеть внутренний слой элемента. Его называют барьером. Чем больше объем солнечного света, тем интенсивнее происходит процесс прохождения или перепрыгивания частиц от одной внешней пластины к другой, минуя внутреннюю перегородку. При замыкании внешних пластин появляется напряжение. Та пластина, которая интенсивно отдает частицы, образуя в себе так называемые дырки, приобретает знак минус. А принимающая пластина — знак плюс.

Функциональность солнечных батарей в пасмурную погоду или зимой

Работа солнечных батарей — уникальное явление. Это замечательное изобретение человечества. Но что делать, если основным атрибутом работоспособности такой батареи это наличие солнечного света. Зимой и осенью природа не балует нас теплом. За окном приходиться наблюдать в основном пасмурную или дождливую погоду.

Как показывает опыт работы солнечных панелей в зимнее время, коэффициент выработки энергии уменьшается почти в пять раз. А если учесть, что производительность этих батарей в принципе ниже стандартных источников энергии. То это все делает солнечные батареи почти бесполезными зимой.

В довершение ко всему можно отметить трудоемкость обслуживания панелей в зимнее время года. Это усугубляется периодически выпадающим снегом.

Кстати что касаемо осадков, дождь это полбеды, а вот снег, который налипает на рабочие плоскости батарей, придется еще и чистить.

Причем следует чистить очень аккуратно и тщательно. Поскольку каждая царапина или любое другое механическое повреждение отдельных блоков снижает эффективность панели в целом. Про осадки в виде града можно даже не вспоминать. Потому что они влекут за собой не просто низкую выработку электричества, но и механические повреждения модулей и дальнейшие затраты на их восстановление.

И все же, можно увеличить выработку электроэнергии в пасмурный период. Зимой очень востребованы специализированные аппараты слежения за солнцем, позволяющие моноблоку находиться постоянно под нужным углом к солнцу. Это необходимо, потому что при отклонении поверхности солнечной батареи от солнечных лучей производительность  уменьшается. И чем больше угол, тем меньше электроэнергии поступает к источнику. Такие аппараты называются гелиостаты.

Из всех особенностей, использования солнечных батарей в зимнее время года, можно отметить только один плюс, это постоянное охлаждение панели. Дело в том, что нагрев пагубно влияет на выработку тока, поэтому зимой можно не задумываться о наличии специальных охладительных систем.

Перспективы

Научная деятельность по улучшению солнечных батарей не стоит на месте. С каждым днем выдвигаются свежие теории. Также проводятся новые исследования, как в области конструкции, так и в области применяемых материалов для изготовления панелей.  Многое уже поменялось с момента изобретения первого прототипа. И если раньше солнечная батарея была больше техническим прорывом и неким чудом науки. То сейчас это изобретение человеческого разума все чаще и настойчивее заявляет свои права на звание самого экологически чистого и мощного устройства для выработки электрического тока на планете.

Материалы будущего

В промышленном масштабе основным материалом для качественной работы солнечных батарей применяют кремний. Кремний принадлежит группе самых распространенных на планете веществ. Единственный минус это его не однородность. В чистом виде, необходимом для производства кремний не встречается. А, наоборот, включает в себя уйму ненужных примесей. От которых приходиться избавляться для применения его в изготовлении солнечных модулей. В связи с этим не останавливается освоение новых материалов, которые будут эффективнее вырабатывать электрическую энергию. Сейчас в разработках ученых фигурируют диселенид кадмия и меди, а также теллурид кадмия.

Солнечные батареи – виды и принцип работы преобразователей

Ещё не так давно автономная система обеспечения электроэнергией была чем-то из области фантастики. Но в последнее время такие устройства приобретают большую популярность. Экономные жители европейских стран уже много лет пользуются солнечными батареями для обеспечения собственных домов электричеством.

В нашей стране такое новшество ещё на стадии развития, хотя некоторые домовладельцы уже успели по достоинству оценить выгоду от таких устройств. В первую очередь, это обусловлено постоянно растущими тарифами на электроэнергию и другие коммунальные услуги. Благодаря постоянному усовершенствованию современных технологий стоимость солнечных батарей медленно, но уверенно падает, что делает их более доступными для среднестатистического потребителя.

Как устроена солнечная батарея?

Конструктивное исполнение разных моделей устройств для преобразования энергии солнца в электричество имеет одинаковые элементы. Большая часть батарей состоит из следующих составляющих:

• устройство, генерирующее, постоянный ток;
• блок аккумуляторных батарей;
• преобразователь постоянной величины тока в переменную.

В свою очередь, конструкция солнечной батареи состоит из фотоэлектрического преобразователя. При этом в изготовлении таких преобразующих компонентов используют кремний – достаточно дорогой природный материал. На сегодняшний день рассматривают два основных типа фотоэлектрических преобразователей:

• преобразователи в изготовлении которых используется монокристаллический кремний;
• приборы из поликристаллического материала.

К важнейшим техническим параметрам всех солнечных батарей можно отнести их коэффициент полезной мощности. Благодаря этому критерию определяется экономичность и качество преобразующего устройства. Полезная мощность определяется на основании показателей тока и напряжения, которые будут зависеть от степени интенсивности солнечных световых потоков, попадающих на фотоэлементы.

Хочется отметить, что величина тока на выходе солнечной батареи зависит не только от интенсивности солнца, но и от габаритов принимающих элементов. Во время дождя или зимой, когда постоянно пасмурно показатели мощности и напряжения в значительной мере снижаются, что обусловлено уменьшением выходного тока.

Если батарею замкнуть на любой нагрузке с сопротивлением, то по такой цепи начинает протекать ток, величина которого будет зависеть от качества преобразующих элементов и интенсивности потока солнечных лучей. При этом мощностные показатели, выделяемые при нагрузке, будут равны величине тока и напряжения перемноженных между собой.

Максимальных мощностных показателей, потребляемых электрическими приборами можно достичь только при оптимальном сопротивлении, которое должно соответствовать пиковому значению КПД солнечной батареи. При этом каждое преобразующее устройство обладает своим оптимальным размером сопротивления, значение которого будет зависеть от параметров фотоэлектрических преобразователей.

В конструкцию солнечной батареи входят отдельные элементы, соединённые по последовательной или параллельной схеме благодаря чему, улучшаются параметры на выходе. При последовательном соединении увеличивается величина напряжения, а при параллельном — ток. Обычно на практике используют комбинацию методов соединения что позволяет увеличить общие выходные параметры прибора.

Преимуществом комбинированного варианта соединения фотоэлементов является и то что в значительной мере увеличивается надёжность солнечной батареи. В первую очередь — это обусловлено тем, что при выходе из строя отдельно взятого элемента это практически не повлияет на качество работы устройства в целом.

Для увеличения надёжности солнечных батарей их элементы шунтируются с помощью диодов. При этом для каждого фотоэлектрического элемента используется по 4 диода. Благодаря этому отдельные элементы, на которые не попадает свет не выходят из строя. В такой ситуации приблизительно на четверть уменьшается генерируемая выходная мощность.

Если пренебречь установкой диодов, то из-за перегрева элементы принимающие солнечные лучи будут ломаться, так как при отсутствии света они начинают потреблять ток, а благодаря использованию диодов ток не будет проходить через них.

Солнечные батареи – принцип работы

Все преобразователи световой энергии в электрическую работают по достаточно простому принципу, который известен большинству людей ещё со школьного курса физики. В частности, нужно вспомнить принцип действия p-n перехода. Именно благодаря ему происходит превращение света в электричество.

Такой принцип работы может проиллюстрировать транзистор со срезанным корпусом. Лучи света, попадая, на p-n переход преобразуются в электрический ток, о появлении которого будет свидетельствовать вольтметр, подключённый к выводам. При этом если увеличить площадь перехода показатели электроэнергии также возрастут. Поэтому все современные батареи имеют достаточно большие габариты, позволяющие в полной мере удовлетворить нужды потребителей в электрической энергии.

С каждым годом происходит усовершенствование материалов и конструкции солнечных батарей, благодаря чему в значительной мере увеличивается коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую. При этом параметры тока и напряжения на выходе прибора зависят от степени освещённости фотоприёмников.

Кремниевые преобразователи солнечной энергии

Солнечными батареями, изготавливаемыми из кремния, вырабатывается ток постоянной величины, образуемый благодаря попаданию на кремневодородные элементы потоков солнечного света. Особенность материала такова что световые потоки, попадающие на поверхность, производят сдвиг электронов с орбиты атома. Благодаря этому свободные электроны вырабатывают электричество. Такие преобразователи обладают высокой производительностью, но имеют сложную в изготовлении конструкцию, из-за которой значительно возрастает цена устройства. При этом на сегодняшний день различают определённые модели кремниевых устройств.

1. Монокристаллический преобразователь, отличительной особенностью элементов которого является общая направленность чувствительных к свету ячеек в одном направлении. Это, в свою очередь, позволяет работать солнечной батарее с максимальным коэффициентом КПД. Но для качественной работы фотоприёмники должны быть постоянно развёрнуты к свету.
2. Поликристаллическое устройство работает благодаря пластинам, состоящим, из разнонаправленных кристаллов кремния что снижает уровень КПД на несколько процентов. Также такие солнечные батареи отличаются внешне, так как состоят из пластин с правильной формой и тёмно-синим окрасом. Неоднородность оттенка и структуры таких устройств обусловлена разнородностью кристаллов кремния и наличием различных примесей.
3. Аморфное преобразующее устройство представляет собой тончайшие кремниевые слои, получаемые путём напыления материала в условиях вакуума. В качестве основы берут высококачественную металлическую фольгу, стекло или полимерные материалы. Такие солнечные батареи имеют незначительный КПД по сравнению с другими преобразователями. Это в первую очередь обусловлено повышенным выгоранием кремниевого слоя под влиянием радиации солнечных лучей. Как стало известно, из практики качество работы аморфного преобразователя через несколько месяцев снижается на 25%, а по прошествии нескольких лет солнечная батарея совсем перестаёт работать.
4. Гибридный фотопреобразователь – устройство, объединившее в себе аморфные панели и микрокристаллический кремний. Качество работы гибридного преобразователя приближено к характеристикам поликристаллического аналога, с единственным отличием в том, что уровень КПД даже при рассеянном свете на порядок выше. Помимо этого, такие солнечные батареи могут преобразовывать как ультрафиолетовый спектр, так и инфракрасное излучение.

Полимерный преобразовать солнечной энергии

Полимерный преобразователь солнечной энергии в электрическую – перспективный вариант замены кремниевого аналога. Прибор состоит из плёнки с полимерным активным слоем, электродов из алюминия и подложки с высокой гибкостью. Благодаря объединению всех фотоэлементов между собой получается устройство рулонного типа.

Такие солнечные батареи достаточно гибкие и имеют незначительный вес. При этом их стоимость намного ниже чем у аналогов из кремния, который является дорогостоящим материалом. Помимо этого, такие системы обладают высокой экологичностью что очень актуально на сегодняшний день.

Хочется отметить, что полимерные солнечные батареи имеют невысокий КПД. Для широкого потребителя первые такие устройства начали производить в Дании. При этом сама процедура производства происходит за счёт многослойной печати фотоэлементов на специальной гибкой плёнке, которую можно разрезать по любым размерам что очень удобно. Стоимость плёночного элемента намного меньше чем у аналогов из кремния. Но повстречать такую солнечную батарею на прилавках магазинов практически невозможно. Процесс производства только входит в начальную стадию развития.

Работа солнечной батареи в плохую погоду

Солнечная батарея – замечательный источник электричества, придуманный человеком. Но из-за того, что основной работы таких устройств является солнечный свет, то если на улице дождь или тучи, эффективность их работы падает в разы. Особенно это актуально в осенне-зимний период года, когда погода не балует большим количеством солнечных дней.

Исходя из опыта использования солнечных источников электричества, зимой коэффициент производимой энергии падает практически в 5 раз. А если взять во внимание, что производительность таких устройств изначально ниже стандартного электроснабжения, то использование солнечных батарей зимой или в пасмурную погоду практически бессмысленно.

Помимо этого, при выпадении снега нужно выполнять очистку панелей, причём делать это нужно с максимальной осторожностью, так как любой дефект или повреждение фотоэлементов значительно снизит работу батареи в целом. А если говорить об осадках в виде града, то они просто губительны для солнечных батарей, так как все модули от механических ударов льдинок приходят в полную негодность.

Естественно, на сегодняшний день можно увеличить производительность солнечного источника электроэнергии в пасмурную погоду или зимой. Для этого были разработаны специальные приборы, отслеживающие положение солнца. Это позволяет моноблоку располагаться под правильным углом к источнику света. В первую очередь — это важно по той простой причине, что даже незначительное отклонение батареи от солнца сильно снижает её производительность. И чем сильнее угол отклонения, тем меньше электричества вырабатывается устройством.

Принцип действия — Weswen

Принцип работы любых солнечных батарей такой: в качестве основного материала фотоэлектрического элемента служит кремний с примесями некоторых элементов, которые образуют кристалл с p-n-переходом. Таким образом, создается два слоя с различной проводимостью. На границе данных слоев образуется потенциальный барьер, который препятствует перемещению носителей электрического тока по всему полупроводнику. При попадании солнечного излучения на фотоэлемент, за счет поглощения фотонов создаются пары отрицательного и положительного заряда, понижающие потенциальный барьер, что приводит к свободному перемещению носителей по полупроводнику, в котором за счет этого наводится электродвижущая сила, являющаяся источником электрического тока. При увеличении светового потока увеличивается и фото ЭДС, следовательно, увеличивается и электрический ток.
Эффективность фотоэлементов из кремния по сравнению с другими материалами относительно высокая. КПД кремниевых пластин колеблется от 10 до 20%. От эффективности фотоэлементов зависит площадь солнечных батарей, рассчитанные на определенную нагрузку. Чем выше коэффициент полезного действия, тем меньше площадь, необходимая для генерирования электрического тока определенной мощности. Развитие полупроводниковой промышленности позволяет выпускать фотоэлектрические элементы на основе кремния с эффективностью до 40%.
В солнечной системе электроснабжения кроме солнечных батарей можно выделить такие основные устройства: аккумулятор, регулятор зарядки-разрядки и инвертор. Благодаря аккумулятору при отсутствии солнечного излучения потребитель может пользоваться электричеством. Регулятор зарядки-разрядки предохраняет аккумулятор от излишней зарядки и разрядки. То есть при достижении напряжения на аккумуляторе уровня напряжения отключения регулятор автоматически отключает нагрузку, а при максимальном уровне напряжения регулятор ограничивает ток зарядки. Инвертор служит для преобразования постоянного тока в переменный, который необходим для питания основной бытовой техники и освещения.

Для определения количества солнечных панелей, входящих в солнечную батарею, которых будет достаточно для обеспечения электричеством требуемой мощности, нужно провести расчет солнечной системы электроснабжения. Данный расчет начинается с определения суммарной мощности всех подключенных устройств, после чего определяется мощность инвертора и значение зарядной емкости аккумуляторов. Мощность и количество фотоэлементов определяется на основании, действующей в определенном регионе, значения солнечной радиации. Определив количество пиковых часов в сутки, когда уровень солнечной радиации не ниже 1000 Вт/м2, определяют вырабатываемую мощность одним фотоэлементом за данный период. Таким образом, зная необходимую суммарную мощность солнечной станции и мощность одного фотоэлемента, определяют количество солнечных панелей, входящих в батарею. Выше описан упрощенный принцип расчета солнечных батарей, в действительности необходимо учесть множество нюансов и влияющих факторов при расчете солнечной системы электроснабжения.

Солнечные батареи давно успешно применяются в развитых странах мира:
Одним из лидеров практического использования энергии Солнца стала Швейцария. Программа, получившая наименование «Солар-91» и осуществляемая под лозунгом «За энергонезависимую Швейцарию!», вносит заметный вклад в решение экологических проблем и энергетическую независимость страны импортирующей сегодня более 70 процентов энергии. Здесь построено примерно 2600 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой энергии.
В планах Швеции на 2020 год — полностью отказаться от УГВ топлива.
В Германии на протяжении нескольких лет функционирует государственная программа «100000 солнечных крыш».
В США запущен аналогичный проект — «Миллион солнечных крыш».

Солнечные батареи: особенности и принцип работы | Новости г. Кинешма и Ивановской области

Без солнца нет жизни. Жители планеты уже научились использовать его энергию рационально.

Сейчас люди уже взаимодействуют с ультрафиолетовым излучением и применяют его для личных целей. В частности мы научились использовать его в качестве альтернативного способа выработки энергии. Результатом этой работы стало создание солнечных батарей. Большой ассортимент такой продукции можно найти на сайте — https://e-solarpower.ru/.

В чём основное отличие солнечных батарей

Солнечные батареи представляют собой электрические преобразователи. Внешне они напоминают особый вид панелей. Каждая из таких конструкций имеет две кремниевые пластины. Эти модули работают по следующему принципу: солнечную энергию они превращают в электрическую. Площадь таких панелей бывает самой различной. Эффективность таких устройств зависит от погодных условий.

Используются солнечные батареи, как в промышленных масштабах, так и на бытовом уровне.

Очень часто их используют для обогрева и освещения:

• жилых домов;
• теплиц;
• хозяйств;
• дворовых построек и т.д.

Солнечные батареи станут хорошим вариантом для жителей тех районов, где не проведена электроэнергия. Этот способ считается самым экономичным в плане денежных средств. Иногда такой способ отопления и освещения используют как дополнительный, во время долгосрочного отключения основного источника энергии. Как правило, в комплектации с солнечными батареями всегда идёт аккумуляторная установка, которая способна работать автономно довольно долгое время. В качестве резервного источника питания такие виды батарей применяют как в сельской местности, так и в городской.

Срок службы солнечных батарей довольно большой – около тридцати лет. Именно поэтому приобретение такого источника энергии можно считать выгодным денежным вложением.

Для того чтобы такое устройство функционировало как можно дольше необходимо:

• постараться оградить устройство от сильных механических воздействий;
• регулярно очищать его;
• при необходимости установить ветрозащиту.

Как правило, солнечные батареи продаются как комплект. Они в обязательном порядке включают в себя аккумулятор. Считается, что такой вид оборудования способен осуществлять работу без скачков напряжения. Кроме всего прочего, вреда природе он не нанесёт. Одним из основных преимуществ такого вида энергии считается то, что она бесплатна. За неё не нужно будет платить в коммунальные службы.

 

ООО «Технолайн»

г. Владивосток, ул. Выселковая 48, строение 10.

ИНН: 2536276212

ОГРН: 1142536007723

 

 

ИП Зубкова И.В.

ИНН 253802507430

ОГРИП 315254300000977

Владивосток г, Давыдова ул, дом № 22, корпус а, кв. 30

Устройство и принцип работы солнечных электростанций

   
     Солнечные панели – основной элемент солнечных электростанций. Они изготавливаются из кремния (материала-полупроводника) и перерабатывают солнечную энергию в электрический ток.

     Солнечные батареи отличаются по типу элементов, напряжению и током. Срок их службы не ограничен. Практически все впроизводители уверяют, что при 25 летней работе, солнечные фотомодули будут вырабатывать не менее 80% от номинального значения.  Солнечные батареи преобразовывают как прямые, так и рассеянные лучи.
Благодаря небольшому весу и модульному типу конструкций можно составлять установки какой угодно мощности. 

Солнечные станции могут быть сетевыми, полностью автономными и гибридными.

     Сетевая солнечная электростанция — в последнее время самая популярная — состоит из солнечных панелей и инвертора (преобразовывает напряжение).
В сетевых солнечных электростанциях используется инвертор сетевого типа, он способен напрямую сбрасывать выработаную солнечными панелями энергию, во внутредовомую сеть, а излишки (непотребленную энергию) направлять во внешнюю сеть для продажи по «зеленому» тарифу.  В сетевых солнечных электростанциях излишек электричества передаётся в сеть через отдельный счётчик. — двунаправленный узел учета. Если есть недостаток электричества, вы забираете недостающее количество электричества из внешней сети.     Автономная солнечная электростанция состоит из солнечных панелей, инвертора с встроенным или внешним зарядным устройством и аккумуляторных батарей.
Принцип работы автономной солнечной электростанции: солнечные панели в дневное время вырабатываю энергию, которую контроллер (зарядное устройство) накапливает в аккумуляторах. К аккумуляторам подключается инвертор — он преобразовывает постоянный ток в переменный и подает его на наргузку.  Автономные солнечные электростанции особенно незаменимы в местах где электросетей нет. Они очень удобны, но стоят дороже, так как в состав входях аккумуляторные батареи.
    Гибридная солнечная электростанция совмещает в себе своиства сетевой и автономной. Минус конечно в том, что имеет найбельшую стоимост. Отлично подходит для клиентов, которые хотят и продавать излишки и иметь возможность запитывать оборудование во время отвключения внешней сети, или использовать энергию солнца в ночное время тоже. 

   Более подробно обо всем этом Вы можете прочитать в разделе решений СОЛНЕЧНЫЕ СТАНЦИИ!
 
Теперь выбор за вами!

Обсудить задачу

Принцип работы фотоэлектрических солнечных батарей

Фотоэлектрический феномен был открыт в 1839 году Эдмундом Бекерелем , который заметил, что Солнце производит электрическую энергию в определенных электрохимических конфигурациях.

Фотоэлектрический феномен начали использовать для превращения прямого солнечного света в энергию с 1954 года. Принцип состоит в том, что когда фотон достигает полупроводника, отрицательная переходная поверхность полярности выбрасывает электрон, таким образом создаются два проводника: свободный электрон и электронная дырка.

Освободившиеся электроны перетекают в верхний слой. В нижнем слое электроны отклоняются от одного атома к другому, заполняя пустые места. Свободные электроны проходят из верхнего слоя в электрическое поле, где расположен солнечный элемент. Вот как в этой области создается электричество, пока солнечный свет достигает солнечной панели.

Электроэнергия производится без шума, чисто и без каких-либо побочных продуктов . Фотоэлектрическое оборудование работает автоматически и без обслуживания. Солнечные панели производят постоянный электрический ток , который преобразуется в 230 В переменного тока с помощью инвертора (оборудование для преобразования энергии). Солнечная энергетическая система работает параллельно с сетью поставщика электроэнергии.

Энергия, произведенная нашей установленной системой солнечных панелей, используется, и излишков генерируемой энергии возвращается в общественную сеть , при этом выплачивается нам поставщиком энергии . Все значения произведенной энергии измеряются и регулируются.

Фотоэлектрическая солнечная система проста в установке — даже ретроспективно — в существующую электрическую систему здания. Произведенная чистая энергия не загрязняет окружающую среду , снижает выбросы газов, вызывающих парниковый эффект, и также важно, что мы создаем значительный приток денежных средств к себе .

Основные принципы и методы фотогальваники (Технический отчет)

Херш, П., Цвайбель, К. Основные принципы и методы фотогальваники . США: Н. П., 1982. Интернет. DOI: 10,2172 / 5191389.

Hersch, P, & Zweibel, K. Основные принципы и методы фотогальваники . Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/5191389

Херш, П., Цвайбель, К.Пн. «Основные принципы и методы фотовольтаики». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/5191389. https://www.osti.gov/servlets/purl/5191389.

@article {osti_5191389,
title = {Основные принципы и методы фотоэлектрических систем},
author = {Hersch, P and Zweibel, K},
abstractNote = {Эта книга представляет собой нематематическое объяснение теории и конструкции фотоэлектрических (PV) солнечных элементов и систем.Представлены основные элементы фотоэлектрических систем: фотоэлектрический эффект, физические аспекты эффективности солнечных элементов, типичный монокристаллический кремниевый солнечный элемент, достижения в области монокристаллических кремниевых солнечных элементов. Далее следуют конструкции систем, построенных из отдельных ячеек, включая возможные конструкции для объединения ячеек и оборудование, необходимое для практического производителя электроэнергии. Затем обсуждается будущее фотоэлектрической техники. (LEW)},
doi = {10.2172 / 5191389},
url = {https: // www.osti.gov/biblio/5191389}, журнал = {},
номер =,
объем =,
place = {United States},
год = {1982},
месяц = ​​{2}
}

Правила проектирования устройств и принципы работы мощных перовскитных солнечных элементов для внутреннего применения

Мён Хён Анн — аспирант факультета молекулярных наук и технологий Университета Аджу в Республике Корея.Он находится под руководством профессора Джонга Х. Кима, и его область исследований — изготовление и определение характеристик перовскитных солнечных элементов для использования внутри помещений.

Джинчол Ким в настоящее время является старшим научным сотрудником Корейского института электронных технологий в Республике Корея. Он получил степень бакалавра наук. и М.С. получил степень магистра в области материаловедения и инженерии в Сеульском национальном университете, Корея, в 2008 и 2011 годах соответственно. Он получил докторскую степень по перовскитным солнечным элементам в Университете Нового Южного Уэльса в 2018 году.Его исследовательские интересы сосредоточены на разработке высокоэффективных перовскитных солнечных элементов и их приложений.

Мунён Ким в настоящее время является доктором философии. кандидат и научный сотрудник школы фотоэлектрических и возобновляемых источников энергии Университета Нового Южного Уэльса в Австралии. Он получил почетную степень в области солнечной энергии и фотоэлектрической энергии в Университете Нового Южного Уэльса. Его главный исследовательский интерес заключается в понимании механизма индуцированной светом деградации кристаллического кремниевого солнечного элемента.

Гайда С. Алосайми в настоящее время является доктором философии. кандидат Школы материаловедения и инженерии Университета Нового Южного Уэльса, Австралия. Она получила степень бакалавра наук. по химии и M.Sc. получил диплом с отличием по физической химии в Таифском университете, Саудовская Аравия, в 2009 и 2014 годах соответственно. Работала демонстратором с (2009-2014), доц. Преподаватель (2014-2017) Университета Таиф, Саудовская Аравия. Исследования Гайды сосредоточены на специальной характеристике многофункциональных наноматериалов, включая концепции фотоэлектрических и биоэлектронных устройств.

Дохён Ким — научный сотрудник школы материаловедения и инженерии Университета Нового Южного Уэльса, Австралия. Он получил докторскую степень. Он получил степень магистра в области материаловедения и инженерии в Университете Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее, Австралия, в 2019 году. Его исследовательские интересы включают оптоэлектрические и фотоэлектрические характеристики и исследование наноразмерных свойств металлогалогенных перовскитов на основе методов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ).

На Ён Ха — профессор кафедры физики Университета Аджу в Республике Корея. Получила степень доктора философии. В 2005 году получила степень бакалавра физики в Женском университете Ихва, Республика Корея. Работала научным сотрудником на кафедре физики и астрономии Пенсильванского университета, США, и на кафедре органических и полимерных материалов Токийского технологического института, Япония. . Ее текущие исследования сосредоточены на оптоэлектронных свойствах и применении гибридных перовскитов и органических материалов.

Ян Зайдель — профессор Школы материаловедения и инженерии Университета Южного Уэльса в Сиднее. Он получил докторскую степень по физике в Техническом университете Дрездена и занимал постдокторские должности в Калифорнийском университете в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Он получил стипендию ARC Future Fellowship, стипендию Feodor Lynen Research Fellowship от Фонда Александра фон Гумбольдта, стипендию Endeavour Executive Fellowship от правительства Австралии и стипендию по приглашению на факультет материалов Оксфордского университета и Св. Екатерининский колледж. Его исследования охватывают оксиды переходных металлов, определение свойств наноразмерных материалов и передовую сканирующую зондовую микроскопию.

Ночанг Парк в настоящее время является ведущим исследователем в Корейском институте технологий электроники в Республике Корея. Он получил степень бакалавра наук. и доктор наук в области материаловедения и инженерии из Корейского университета и Postech в Корее в 1999 и 2001 годах соответственно. Он получил степень доктора философии по фотоэлектрическим модулям в Корейском университете в 2014 году.Его исследовательские интересы сосредоточены на разработке метода капсулирования перовскитных солнечных элементов и его стабильности.

Дже Сунг Юн в настоящее время является научным сотрудником Австралийского центра передовых фотоэлектрических систем и преподавателем Школы инженерии фотоэлектрических и возобновляемых источников энергии Университета Нового Южного Уэльса, Австралия. Он получил докторскую степень по изготовлению и определению характеристик тонкопленочных солнечных элементов из поликристаллического кремния в SPREE под руководством профессора Мартина А. Грина в 2015 году.Его текущие исследования сосредоточены на функциональном наноразмерном отображении дефектов в фотоэлектрических материалах, таких как перовскит, кестерит и Si.

Джонг Х. Ким — доцент кафедры молекулярных наук и технологий Университета Аджу в Республике Корея. Он получил докторскую степень. степень на факультете материаловедения и инженерии Сеульского национального университета. После получения докторской степени Во время учебы он работал научным сотрудником постдокторантуры на факультете материаловедения и инженерии Вашингтонского университета.Его исследовательские интересы сосредоточены на разработке мощных солнечных элементов для внутреннего применения.

© 2020 Elsevier Ltd. Все права защищены.

Как работают солнечные элементы — Компоненты и работа солнечных элементов —

Поскольку солнечный элемент является единственным генератором в солнечной фотоэлектрической системе, он является одной из самых важных частей в солнечной фотоэлектрической системе. В следующих параграфах обсуждается простое введение в солнечный элемент и принцип его работы со ссылками на ссылки для лучшего понимания.

Солнечный элемент : Солнечный элемент — это твердотельное электрическое устройство (p-n-переход), которое преобразует энергию света непосредственно в электричество (постоянный ток) с использованием фотоэлектрического эффекта. Для процесса преобразования сначала требуется материал, который поглощает солнечную энергию (фотон), а затем переводит электрон в более высокое энергетическое состояние, а затем поток этого высокоэнергетического электрона во внешнюю цепь. Кремний — один из таких материалов, в котором используется такой процесс. Структура солнечного элемента показана на рисунке 1, а конфигурация солнечной панели — на рисунке 2.

Фотоэлементы : Фотоэлементы чаще всего изготавливаются из кремния и бывают двух распространенных разновидностей: кристаллические и тонкопленочные, как указано в таблице 1.

A p-n переход : образуется путем соединения полупроводниковых материалов p-типа (высокая концентрация дырок или недостаток электронов) и n-типа (высокая концентрация электронов). Из-за этого соединения избыточные электроны n-типа пытаются диффундировать с дырками p-типа, тогда как избыточные дырки p-типа пытаются диффундировать с электронами n-типа.Движение электронов в сторону p-типа обнажает остовы положительных ионов на стороне n-типа, в то время как движение дырок в сторону n-типа обнажает остовы отрицательных ионов на стороне p-типа, в результате чего возникает электронное поле на переходе и формируя область истощения. Анимированное визуальное объяснение показано по этой ссылке: http://www.pveducation.org/pvcdrom/pn-junction/formation-pn-junction.

Генерируемый светом ток : Генерация тока в солнечном элементе, известная как «генерируемый светом ток», включает два важных процесса.Анимированный идеальный поток при коротком замыкании показан по этой ссылке: http://www. pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/light-generated-current.

1. Поглощение падающих фотонов для создания электронно-дырочных пар. Электронно-дырочные пары будут генерироваться в солнечном элементе при условии, что падающий фотон имеет энергию больше, чем энергия запрещенной зоны. Однако электроны (в материале p-типа) и дырки (в материале n-типа) метастабильны и будут существовать в среднем только в течение периода времени, равного времени жизни неосновных носителей, прежде чем они рекомбинируют.Если носитель рекомбинирует, то генерируемая светом электронно-дырочная пара теряется, и ток или мощность не могут генерироваться.
   
2. Сбор этих носителей p-n-переходом предотвращает эту рекомбинацию за счет использования p-n-перехода для пространственного разделения электрона и дырки. Носители разделяются действием электрического поля, существующего на p-n-переходе. Если генерируемый светом неосновной носитель достигает p-n-перехода, он перемещается через переход электрическим полем на переходе, где он теперь является основным носителем.Если эмиттер и база солнечного элемента соединены вместе (т. Е. Если солнечный элемент закорочен), то генерируемые светом носители проходят через внешнюю цепь.

См. Также: Солнечные зарядные устройства: 12 лучших вариантов, которые можно купить сегодня

Фотоэлектрический эффект : Сбор генерируемых светом носителей сам по себе не приводит к выработке электроэнергии. Для выработки энергии необходимо генерировать как напряжение, так и ток. Напряжение генерируется в солнечном элементе с помощью процесса, известного как «фотоэлектрический эффект».Сбор генерируемых светом носителей p-n переходом вызывает движение электронов к стороне n-типа, а дырок — к стороне p-типа перехода. В условиях короткого замыкания носители выходят из устройства в виде светового тока. Анимированное объяснение фотоэлектрического эффекта показано по этой ссылке: http://www.pveducation. org/pvcdrom/solar-cell-operation/photovoltaic-effect.

С этой базовой идеей работы солнечного элемента будет рассмотрено подробное объяснение моделирования солнечного элемента с использованием диода с коэффициентом идеальности диода и рабочей температурой, а также паразитным сопротивлением (из-за производственных дефектов). позже.

Для получения более подробной информации о том, как работают солнечные фотоэлектрические системы, ознакомьтесь с: Понимание технологии, лежащей в основе солнечных фотоэлектрических систем

(PDF) Солнечная энергия: принципы и возможности

43. Рафаэль Р.П., Ланди Б.Дж., Кастро С.Л., Руф Х.Дж., Эванс К.М. и

Bailey, S.G. (2005) Комплексы CdSe квантовая точка-одностенная углеродная нанотрубка

для полимерных солнечных элементов. Матер солнечной энергии. Солнечные батареи,

87 (1 — 4), 733 — 746.

44. Kazaoui, S., Minami, N., Nalini, B., Kim, Y. and Hara, K. (2005) Ближний инфракрасный диапазон

фотопроводящие и фотоэлектрические устройства с использованием одностенных углеродных нанотрубок

в проводящих полимерные пленки. J. Appl. Phys., 98 (8), 084314.

45. Jin, Young Kim, Lee, Kwanghee, Coates, Nelson E., Moses, Daniel,

Nguyen, Thuc-Quyen, Dante, M. и Heeger, A.J. (2007) Эффективный тандем

полимерных солнечных элементов, изготовленных методом комплексной обработки. Наука, 317 (5835),

222 — 225.

46. Чаппел, С., Чен, С.-Г. и Забан, А. (2002) TiO

2

-покрытые нанопористые SnO

2

электроды для сенсибилизированных красителями солнечных элементов. Langmuir, 18 (8), 3336 — 3342.

47. Zhang, Z., Ito, S., O’Regan, B., Daibin, K., Zakeeruddin, SM, Liska, P.,

Charvet, R., Comte, P., Nazeeruddin, MK, Pechy, P., Humphry-Baker, R.,

Koyanagi, T., Mizuno, T. и Gratzel, M. (2007) Электронная роль TiO

2

светорассеивающий слой в солнечных элементах, сенсибилизированных красителем. Z. Phys. Chem., 221 (3), 319 —

327.

48. Lee, T.-Y., Alegaonkar, P.S. и Ю, Ж.-Б. (2007) Изготовление сенсибилизированного красителем солнечного элемента

с использованием углеродных нанотрубок с покрытием TiO

2

. Тонкие твердые пленки, 515 (12),

5131 — 5135.

49. Kongkanand, A., Dominguez, R.M. и Камат П. (2007) Каркасы из одностенных углеродных нанотрубок

для фотоэлектрохимических солнечных элементов. Захват и транспортировка

фотогенерированных электронов.Nano Lett., 7 (3), 676 — 680.

50. Олек, М., Бусген, Т., Хильгендорф, М. и Гирсиг, М. (2006) Квантовая точка

модифицированные многослойные углеродные нанотрубки. J. Phys. Chem. B, 110 (26), 12901 —

12904.

51. Хасобе Т., Фукузуми С. и Камат П.В. (2006) Организованные сборки из

одностенных углеродных нанотрубок и порфирина для фотохимических солнечных элементов:

Инжекция заряда возбужденного порфирина в однослойные углеродные нанотрубки. J.

Phys.Chem. B, 110 (50), 25477 — 25484.

52. Мор, Г.К., Шанкар, К., Паулозе, М., Варгезе, О.К. и Граймс, К.А. (2006)

Nanoletters, 6 (2), 215 — 218.

53. Salafsky, J.S. (2001) Конструкция канала с использованием одиночных полупроводниковых нанокристаллов —

тонн для пленок эффективных (опто) электронных устройств. Solid-State Electron., 45 (1),

53 — 58.

54. O’Regan, B. and Gratzel, M. (1991) Недорогой, высокоэффективный солнечный элемент на основе красителя

. сенсибилизированный коллоидный TiO

2

пленки.Nature, 353 (353), 737 — 740.

55. Ho, M.-W. (2006) Ho MW. Квантовые точки и сверхэффективные солнечные элементы? Sci.

Soc., 29, 48–49.

56. Мюррей, К.Б., Каган, К.Р. и Бавенди, М.Г. (2000) Синтез и проверка Char-

монодисперсных нанокристаллов и плотноупакованных нанокристаллов

сборок. Анну. Rev. Mater. Res., 30 (1), 545 — 610.

57. http://en.wikipedia.org/wiki/Concentrating_solar_power

58. Jha, A. (2009) Концентрированная солнечная энергия может генерировать четверть мировых

энергия ».

http://www.guardian.co.uk/;environment/2009/may/26/solarpower-renewableenergy

59. http://www.timesofmalta.com/articles/view/20090715/world-news/ евро-400-

млрд-план-приносить-африканскую-солнечную-энергию-европу

www.scilet.com Солнечная энергия: принципы и возможности 111

Как работает солнечная энергия?

Как солнечные системы производят энергию?

Солнечная энергия , пожалуй, самая чистая и надежная форма из имеющихся возобновляемых источников энергии , и ее можно использовать в нескольких формах для питания вашего дома или бизнеса. Фотоэлектрические панели на солнечных батареях преобразуют солнечные лучи в электричество, возбуждая электроны в кремниевых элементах с помощью фотонов солнечного света. Затем это электричество можно использовать для снабжения возобновляемой энергии вашему дому или бизнесу.

Чтобы лучше понять этот процесс, давайте посмотрим на компоненты солнечной энергии, которые составляют полную солнечную энергетическую систему.

Кровельная система

В большинстве солнечных систем , солнечных панелей размещаются на крыше.В идеальном месте панели не будут иметь тени, особенно в часы сильного солнечного света с 9 до 15 часов; установка, ориентированная на юг, обычно обеспечивает оптимальный потенциал для вашей системы, но другая ориентация может обеспечить достаточную производительность. Деревья или другие факторы, вызывающие затенение в течение дня, значительно снизят выработку электроэнергии. Важность затенения и эффективности невозможно переоценить. В солнечной панели , если хотя бы одна из ее 36 ячеек затенена, выработка энергии будет уменьшена более чем наполовину.Опытные подрядчики по установке, такие как NW Wind & Solar, используют устройство, называемое Solar Pathfinder, для тщательного определения потенциальных зон затенения перед установкой.

Не каждая крыша имеет правильную ориентацию или угол наклона, чтобы использовать солнечную энергию. Некоторые системы имеют поворотные панели, отслеживающие движение солнца по небу. Фотоэлектрические системы без слежения должны быть наклонены под углом, равным широте площадки, чтобы поглощать максимальное количество энергии круглый год.Альтернативные ориентации и / или склонности могут использоваться для оптимизации производства энергии в определенное время дня или для определенных сезонов года.

Солнечные панели

Солнечные панели, также известные как модули, содержат фотоэлектрические элементы из кремния, которые преобразуют поступающий солнечный свет в электричество, а не в тепло. («Фотоэлектрические» означает электричество от света — фото = свет, гальваника = электричество.)

Солнечные фотоэлектрические элементы состоят из положительной и отрицательной кремниевой пленки, помещенной под тонкий слой стекла.Когда фотоны солнечного света падают на эти клетки, они сбивают электроны с кремния. Отрицательно заряженные свободные электроны преимущественно притягиваются к одной стороне кремниевого элемента, что создает электрическое напряжение, которое может собираться и передаваться. Этот ток собирается путем последовательного соединения отдельных солнечных панелей, чтобы сформировать солнечную фотоэлектрическую батарею. В зависимости от размера установки, несколько цепочек кабелей солнечных фотоэлектрических панелей заканчиваются в одной электрической коробке, называемой объединителем с плавкими вставками. Внутри блока сумматора находятся предохранители, предназначенные для защиты кабелей отдельных модулей, а также соединений, которые подают питание на инвертор. Электроэнергия, производимая на этом этапе, является постоянным током (постоянный ток) и должна быть преобразована в переменный ток (переменный ток), пригодный для использования в вашем доме или на работе.

Инвертор

Инвертор обычно располагается в доступном месте, как можно ближе к модулям. В жилых помещениях инвертор часто монтируется на внешней боковой стене дома рядом с электрической магистралью или субпанелями.Поскольку инверторы издают небольшой шум, это следует учитывать при выборе места.

Инвертор преобразует электричество постоянного тока, вырабатываемое солнечными панелями, в переменный ток 120 вольт, который можно немедленно использовать, подключив инвертор непосредственно к специальному автоматическому выключателю на электрической панели.

Инвертор, счетчик выработки электроэнергии и счетчик электроэнергии подключаются таким образом, чтобы мощность, производимая вашей солнечной электрической системой, сначала потреблялась электрическими нагрузками, которые в настоящее время работают.Баланс энергии, производимой вашей солнечной электрической системой, проходит через вашу электрическую панель и выходит в электрическую сеть. Всякий раз, когда вы производите больше электроэнергии из вашей солнечной системы, чем вы потребляете сразу, ваш счетчик электроэнергии поворачивается назад!

Счетчик нетто

В солнечной электрической системе, которая также подключена к электросети, мощность постоянного тока от солнечной батареи преобразуется в мощность переменного тока 120/240 вольт и подается непосредственно в систему распределения электроэнергии в здании.Электроэнергия измеряется по сетке, что означает, что она снижает спрос на электроэнергию от коммунального предприятия, когда солнечная батарея вырабатывает электроэнергию, что снижает счет за коммунальные услуги. Эти связанные с сетью системы автоматически отключаются, если электроэнергия отключается, защищая рабочих от подачи электроэнергии обратно в сеть во время отключения электроэнергии. Эти типы электрических систем, работающих на солнечной энергии, известны как «сетевые» или «безбатарейные» и составляют примерно 98% солнечных энергетических систем, устанавливаемых сегодня.

Другие преимущества солнечной энергии

Снижая счета за коммунальные услуги в здании, эти системы не только окупаются со временем, но и помогают снизить загрязнение воздуха, вызываемое коммунальными предприятиями.Например, солнечные энергетические системы помогают увеличить так называемую «мощность генерирования пиковой нагрузки», тем самым избавляя коммунальное предприятие от включения дорогих и загрязняющих дополнительных систем в периоды пикового спроса. Чем больше солнечных электроэнергетических систем местного производства установлено в зоне обслуживания данного коммунального предприятия, тем меньше мощности необходимо построить, тем самым избавляя всех от финансирования дорогостоящих дополнительных источников генерирования энергии. Использование чистой зеленой энергии из вашей собственной солнечной электрической системы помогает создавать рабочие места и является отличным способом смягчить загрязнение и другие проблемы, связанные с электричеством, полученным из ископаемого топлива.Электрогенерирующие системы на солнечной энергии помогают снизить воздействие на окружающую среду и в то же время сэкономить деньги!

Как работают солнечные панели и датчики света

Датчики света недавно получили признание благодаря преобладанию фотоэлектрических элементов или солнечных панелей, которые отдают предпочтение некоторым энтузиастам окружающей среды, когда дело доходит до электроснабжения домов и экономии энергии. Однако фотоэлектрические элементы — это только один пример светового датчика, который может работать в других многочисленных режимах. Датчики света, также называемые фотодетекторами, бывают разных видов и выполняют множество функций.

Фотоэлементы

Фотодетектор этого типа часто используется в качестве современного экологически чистого источника питания. По сути, они состоят из панели поглощающих солнечных элементов, которые вырабатывают электричество из солнечного света. Поскольку фотоны солнца активируют электроны в панели, создается энергия. Постоянный ток, создаваемый панелями, затем изменяется с постоянного напряжения на переменное и может использоваться для питания целых домов, оборудования или аккумуляторов.Для защиты от непогоды фотоэлектрические элементы часто закрывают листом стекла.

Фотодиоды

Фотодиоды — это то, что заставляет солнечные панели работать так же хорошо, как и они сами — они составляют часть фотоэлектрического элемента, преобразующего свет в полезную энергию. Мало того, что они отличаются от полупроводниковых диодов, они могут либо подвергаться прямому воздействию света, либо упаковываться в более крупное устройство с оптоволокном, служащим связующим звеном для света, достигающего фотодиода.

Фоторезисторы

Фоторезисторы, также называемые ячейками сульфида кадмия (CdS), становятся все менее устойчивыми к свету по мере того, как они подвергаются воздействию света. Состоящие из устойчивого полупроводника, они поглощают фотоны света — как только электроны возбуждены, они могут перепрыгивать через зону проводимости. Свободный электрон, который высвобождается при переходе электронов через зону, может проводить электричество, что снижает общее сопротивление устройства. Фоторезисторы бывают двух типов: внутренние и внешние.Собственный фоторезистор не является хорошим полупроводником, потому что электроны должны перемещаться на большее расстояние при возбуждении — внешние проводники имеют примеси, которые облегчают возбуждение электронов, поэтому они немного лучше проводят. Фоторезисторы используются в таких элементах, как фотомеры, сигнализация и уличные фонари.

Фотоумножители

Фотоумножители, как разновидность фотоэлементов, весьма чувствительны к ультрафиолетовому, ближнему инфракрасному и видимому свету.Под воздействием света они могут умножать производимый сигнал до 100 миллионов раз. Поскольку они обладают высоким коэффициентом усиления и высокочастотной характеристикой, их обычно можно найти при работе с ядерными устройствами, а также при анализах крови и медицинской визуализации.

Пироэлектрические устройства

При нагревании или охлаждении пироэлектрические устройства могут вырабатывать электричество. Эта чувствительность к температуре, в свою очередь, делает их чувствительными к интенсивному свету. Однако даже небольшие перепады температур могут генерировать электрический заряд в пироэлектрическом материале, поэтому они часто используются в пассивных инфракрасных датчиках, которые могут использовать тепло, выделяемое человеком или животным на расстоянии нескольких футов, для создания заряда.

Криогенные датчики

Хотя технически это форма датчика излучения, криогенные датчики зависят от низкой температуры (например, чуть выше нуля градусов), что означает, что они имеют очень низкий уровень шума. При низких температурах некоторые материалы становятся все более чувствительными к энергии по мере их прохождения через датчик — в результате может измениться тепло или удельное электрическое сопротивление.

Источники

• https://www.ninefasteners.com/blog/how-long-do-solar-panels-last/

Датчики прочие изделия

Больше от компании Electric & Power Generation

.