Солнечные панели принцип работы: Страница не найдена – Совет Инженера

Содержание

Принцип работы солнечной батареи

Прежде, чем перейти к объяснению основных принципов получения электричества с помощью солнечных батарей, давайте кратко рассмотрим, что же такое электричество.

Все вещества во вселенной состоят из атомов, в состав которых входят протоны, нейтроны и электроны. В центре атома – ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов.

Ядро окружено отрицательно заряженными электронами, заряд которых равен заряду протонов, но противоположен ему по знаку. Количество совпадает с количеством протонов в ядре.

Равное соотношение противоположно заряженных частиц в ядре делает атом нейтральным и стабильным.

Когда на атом воздействует внешняя сила, равновесие между протонами и электронами нарушается. Эта внешняя сила вызывает потерю или присоединение электронов. Когда атом теряет электрон, он может свободно перемещаться. Именно это перемещение и называют электрическим током.

Что такое солнечное электричество?

Это образование свободных электронов при падении лучей солнца на поверхность полупроводникового материала, например, кремния.

Можно сказать, что это процесс преобразования энергии солнца в электрическую.

Как работает батарея? Полупроводники, такие как кремний, имеют свойство пропускать через себя электроток, когда на него попадают лучи солнца. Этот процесс также называют «фотоэлектрическим эффектом».

Когда фотоны (частицы, составляющие излучение солнца и имеющие определенную энергию) достигают поверхности полупроводника, его ячейки поглощают энергию фотона, которая переходит к электронам и заставляет их уходить со своих орбит, вызывая электрический ток — этот принцип лежит в основе солнечного электричества.

Множество полупроводниковых ячеек спаиваются между собой и заключаются в закаленное, хорошо пропускающее свет стекло. Это и есть солнечная батарея.

Солнечная панель – ключевой элемент электростанции, производящий электричество из света. Можно соединить любое количество батарей, чтобы получить желаемое количество электричества. Их можно установить в любом месте, благодаря чему мы имеем мобильный источник энергии.

Электрический ток, вырабатываемый солнечной панелью – это постоянный ток, однако большая часть устройств в доме потребляет переменный ток. Именно поэтому требуется устройство, которое преобразовывает постоянный в переменный — инвертор.

С помощью системы из батарей и инвертора можно получить переменный ток подходящий для дома, чтобы пользоваться электроприборами, такими как вентилятор, освещение, телевизор, холодильник и т.д.

У солнечных панелей, в отличие от угля и углеводородного топлива, существует ряд значимых преимуществ:

  • экологичность
  • отсутствие вредных выбросов
  • бесшумная работа
  • практически не требуют обслуживания
  • срок службы 20-25 лет

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

Здесь вы узнаете:

Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте. Солнечный свет, попадая на кремниевый полупроводник, преобразуется в электрический ток. Затем он накапливается в аккумуляторах и используется для бытовых нужд.

Принцип работы солнечных батарей

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.

Технические характеристики

Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:

  • Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;
  • Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;
  • Контроллер уровня заряда аккумулятора.

Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.

Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.

(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)

Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.

Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.

Внутреннее устройство гелиобатареи

Постепенно солнечные батареи становятся все дешевле и эффективней. Сейчас они применяются для подзарядки аккумуляторов в уличных фонарях, смартфонах, электроавтомобилях, частных домах и на спутниках в космосе. Из них стали даже строить полноценные солнечные электростанции (СЭС) с большими объемами генерации.


Гелиобатарея состоит из множества фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей ФЭП), преобразующих энергию фотонов с солнца в электроэнергию

Каждая солнечная батарея устроена как блок из энного количества модулей, которые объединяют в себе последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Чтобы понять принципы функционирования такой батареи, необходимо разобраться в работе этого конечного звена в устройстве гелиопанели, созданного на базе полупроводников.

Виды кристаллов фотоэлементов

Вариантов ФЭП из разных химических элементов существует огромное количество. Однако большая их часть – это разработки на начальных стадиях. В промышленных масштабах сейчас выпускаются пока что только панели из фотоэлементов на основе кремния.


Кремниевые полупроводники используются при изготовлении солнечных батарей из-за своей дешевизны, особо высоким КПД они похвастаться не могут

Обычный фотоэлемент в гелиопанели – это тонкая пластина из двух слоев кремния, каждый из которых имеет свои физические свойства. Это классический полупроводниковый p-n-переход с электронно-дырочными парами.

При попадании на ФЭП фотонов между этими слоями полупроводника из-за неоднородности кристалла образуется вентильная фото-ЭДС, в результате чего возникает разность потенциалов и ток электронов.

Кремниевые пластины фотоэлементов различаются по технологии изготовления на:

  1. Монокристаллические.
  2. Поликристаллические.

Первые имеют более высокий КПД, но и себестоимость их производства выше, нежели у вторых. Внешне один вариант от другого на солнечной панели можно различить по форме.

У монокристаллических ФЭП однородная структура, они выполняются в виде квадратов со срезанными углами. В отличие от них поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму.

Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого.

Но производительность в плане выработки электроэнергии из солнечных лучей у них редко превышает 15%. Связано это с “нечистотой” получаемых кремниевых пластин и внутренней их структурой. Здесь чем чище p-слой кремния, тем более высокий выходит КПД у ФЭП из него.

Чистота монокристаллов в этом отношении гораздо выше, нежели у поликристаллических аналогов. Их делают не из расплавленного, а из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования у таких ФЭП уже достигает 20-22%.


В общий модуль отдельные фотоэлементы собираются на алюминиевой раме, а для защиты их сверху закрывают прочным стеклом, которое нисколько не препятствует солнечным лучам

Обращенный к солнцу верхний слой пластинки-фотоэлемента делается из того же кремния, но уже с добавлением фосфора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

Принцип работы солнечной панели

При падении солнечных лучей на фотоэлемент в нем генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и «дырки» частично переносятся через p-n-переход из одного слоя полупроводника в другой.

В итоге во внешней цепи появляется напряжение. При этом на контакте p-слоя формируется положительный полюс источника тока, а на n-слоя – отрицательный.


Разность потенциалов (напряжение) между контактами фотоэлемента появляется из-за изменения числа «дырок» и электронов с разных сторон p-n-перехода в результате облучения n-слоя солнечными лучами

Подключенные к внешней нагрузке в виде аккумулятора фотоэлементы образуют с ним замкнутый круг. В результате солнечная панель работает, как своеобразное колесо, по которому вместе белки “бегают” электроны. А аккумуляторная батарея при этом постепенно набирает заряд.

Стандартные кремниевые фотоэлектрические преобразователи являются однопереходными элементами. Переток в них электронов происходит только через один p-n-переход с ограниченной по энергетике фотонов зоной этого перехода.

То есть каждый такой фотоэлемент способен генерировать электроэнергию только от узкого спектра солнечного излучения. Вся остальная энергия пропадает впустую. Поэтому-то и эффективность у ФЭП так низка.

Чтобы повысить КПД солнечных батарей, кремниевые полупроводниковые элементы для них в последнее время стали делать многопереходными (каскадными). В новых ФЭП переходов уже несколько. Причем каждый из них в этом каскаде рассчитан на свой спектр солнечных лучей.

Суммарная эффективность преобразования фотонов в электроток у таких фотоэлементов в итоге возрастает. Но и цена их значительно выше. Здесь либо простота изготовления с невысокой себестоимостью и низким КПД, либо более высокая отдача вкупе с высокой стоимостью.


Солнечная батарея может работать как летом, так и зимой (ей нужен свет, а не тепло) – чем меньше облачность и ярче светит солнце, тем больше гелиопанель сгенерирует электрического тока

При работе фотоэлемент и вся батарея постепенно греется. Вся та энергия, что не пошла на генерацию электротока, трансформируется в тепло. Часто температура на поверхности гелиопанели поднимается до 50–55 °С. Но чем она выше, тем менее эффективно работает фотогальванический элемент.

В итоге одна и та же модель солнечной батареи в жару генерирует тока меньше, нежели в мороз. Максимум КПД фотоэлементы показывают в ясный зимний день. Тут сказываются два фактора – много солнца и естественное охлаждение.

При этом если на панель будет падать снег, то электроэнергию она генерировать все равно продолжит. Более того, снежинки даже не успеют на ней особо полежать, растаяв от тепла нагретых фотоэлементов.

Виды солнечных батарей

В настоящее время солнечные батареи представлены несколькими вариантами в зависимости от типа их устройства, и от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой.

I. Классификация по типу их устройства:

  1. 1. Гибкие;
  2. 2. Жёсткие.

II. В зависимости от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой выделяют:

  1. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из кремния. Они в свою очередь бывают монокристаллическими, поликристаллическими и аморфными. Монокристаллические панели достаточно дорогой вариант, но они отличаются высокой мощностью. Поликристаллические дешевле, чем монокристаллические панели. Такие панели медленней теряют свою эффективность с увеличением сроков службы, а так же при нагревании. Аморфные представлены в основном тонкопленочными панелями. Такое устройство солнечной батареи позволяет генерировать солнечный свет, даже в плохих погодных условиях;
  2. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из теллурида кадмия;
  3. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из селена;
  4. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из полимерных материалов;
  5. Из органических соединений;
  6. Из арсенида галлия
  7. Из нескольких материалов одновременно.

Основные типы, которые получили распространение, это многопереходные кремниевые фотоэлементы.

Фотоэлементы, выполненные из кремния, отличаются высокой чувствительностью к нагреванию, компактностью, надежностью и высоким уровнем КПД (коэффициента полезного действия).

Другие материалы не получили широкого распространения в связи с большой стоимостью.

Сфера применения солнечной энергии

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 электричество

Преимущества солнечных батарей

Солнечная энергия — это перспективное направление, которое постоянно развивается. Они имеют несколько основных достоинств. Удобство использования, долгий срок службы, безопасность и доступность.

Положительные стороны применение данной разновидности аккумуляторных батарей:

  • Возобновляемость – этот источник энергии практически не имеет ограничений притом бесплатный. По крайней мере на ближайшие 6.5 миллиардов лет. Нужно подобрать оборудование, установить его и использовать по назначению (в частном доме или коттеджном участке).
  • Обильность – Поверхность земли в среднем получает около 120 тысяч терравват энергии что в 20 раз превышает нынешнее энергопотребление. Солнечные батареи для коттеджей или частных домов имеют огромный потенциал для использования.
  • Постоянство – солнечная энергия постоянна поэтому человечеству не грозит перерасход в процессе ее использования.
  • Доступность – солнечная энергия может вырабатывать на любой территории, при наличии естественного света. При этом чаще всего она применяется для отопления жилища.
  • Экологическая чистота – солнечная энергетика является перспективной отраслью, которая в будущем заменит электростанции, работающие на невозобновляемых ресурсах: газ, торф, уголь и нефть. Безопасны для здоровья людей и домашних животных.

Важно: Отдельно хочется подчеркнуть термоядерную энергию. Несмотря на то, что «мирный атом» позиционируется, как безопасный, при авариях на АЭС этот фактор полностью перечеркивается (Три-Лонг-Айленд, Чернобыль, Фукусима).

  • При производстве панелей и монтаже солнечных электростанций в атмосферу не происходят значительные выбросы вредных или токсичных веществ.
  • Бесшумность – выработка электроэнергии производится практически бесшумно, и поэтому этот вид электростанций лучше ветровых электростанций. Их работа сопровождается постоянным гулом из-за чего оборудование быстро выходит из строя, а сотрудники должны делать частые перерывы на отдых.
  • Экономичность – при использовании солнечных батарей владельцы недвижимости ощущают значительное снижение коммунальных расходов на электроэнергию. Панели имеют долгий срок службы – производитель дает гарантию на панели от 20 до 25 лет. При этом обслуживание всей электростанции сводится к периодической (раз в 5-6 месяцев) очистке поверхностей панелей от грязи и пыли

Недостатки солнечных батарей

К сожалению, и этот практически неисчерпаемый источник энергии имеет определенные ограничения и недостатки:

  • Высокая стоимость оборудования – автономная солнечная электростанция даже небольшой мощности доступна далеко не каждому. Оборудование частного дома такими аккумуляторами стоит недешево, но помогает снизить расходы на оплату коммунальных услуг (электроэнергии).
  • Обустройство собственного жилища солнечными батареями потребует финансовых затрат.
  • Периодичность генерации — солнечная электростанция не способна обеспечить полноценную бесперебойную электрификацию частного дома.

 Важно: Проблему можно решить, установив аккумуляторы высокой емкости, однако из-за этого возрастет стоимость получения энергии, что сделает ее невыгодной по сравнению с традиционными энергоносителями.

  • Хранения энергии – в солнечной электростанции аккумуляторная батарея является самым дорогим элементом (даже батареи небольшого объема и панели на гелевой основе).
  • Низкий уровень загрязнения окружающей среды – солнечная энергия считается экологически чистой, однако производственный процесс батарей сопровождается выбросами трифторида азота, оксидов серы. Все это создает «парниковый эффект».
  • Использование в производстве редкоземельных элементов – тонкопленочные солнечные панели имеют в своем составе теллурид кадмия (CdTe).
  • Плотность мощности – это количество энергии, которое можно получить с 1 кв. метра энергоносителя. В среднем этот показатель составляет 150-170 Вт/м2. Это гораздо больше по сравнению с другими альтернативными источниками энергии. Однако несравнимо, ниже чем у традиционных (это касается атомной энергетики).

Отопление солнечной энергией домов

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

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

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

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

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

Как работает солнечное отопление

Давайте подробно рассмотрим принцип работы солнечных батарей от ультрафиолетового света.

Между температурой коллектора и накопительного элемента появляется разница. Носитель тепла, что чаще всего является водой, в которую добавлен антифриз, начинает циркулировать о системе. Совершаемая жидкостью работа является именно кинетической энергией.

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

Итак, мы выяснили принцип работы солнечных батарей.

Новости и статьи » Принцип работы солнечных панелей

       Солнечные батареи являются хорошей альтернативой стандартным электрическим линиям. Они обладают большим количеством преимуществ и небольшим списком недостатков. Прежде чем рассуждать, выгодно ли их использование, необходимо познакомиться с основными принципами работы такого устройства. Это поможет лучше понять всю систему и в полной мере оценить, какую пользу несут в себе портативные солнечные панели.

Общие сведения

Принцип работы самой солнечной панели заключается в том, что она улавливает абсолютно бесплатные лучи солнца, которые есть в каждом уголке Земли в дневное время и преобразовывает их в стандартные потоки энергии. На энергии, как известно, сейчас работает огромное количество приборов и устройств от промышленного до бытового масштаба. Конечно, применение солнечных панелей разом могло бы решить проблемы людей с крупными долгами за коммунальные услуги, периодическим отключением электроэнергии и с отсутствием линий электропередач в отдаленных уголках. Вместе с тем, специалисты говорят, что сама по себе солнечная панель не отличается высокой эффективностью.

Проблема заключается в низком проценте “приема” панелью лучей солнца. Как ни бьются над этим вопросом ученые, инженеры и разработчики, а показателя выше 22,5% и то, только в случае с промышленными моделями, добиться так и не удалось. Если говорить о портативных вариантах солнечных панелей, здесь процент приема лучей составляет не более 18%. В ход были запущены дополнительные приспособления, которые позволили не быть зависимыми от дневного времени суток, а дали возможность батарее накапливать преобразованную энергию в течение всего дня.

Основной принцип работы

Говоря о принципах работы солнечных панелей, следует учитывать, что этот вид оборудования стоит отличать от солнечных коллекторов. Панели преобразуют энергию лучей солнца в электрический вид, а коллекторы в тепловой.

По основной своей природе гелиобатареи (солнечные) не способны ничего накапливать, они только генерируют. Накопление энергии происходит во встроенном аккумуляторе, который сейчас уже воспринимается как неотъемлемая часть целиковой конструкции. Сама панель состоит из фотоэлементов, которые и “впитывают” в себя энергию солнечных лучей.

В такой панели присутствует несколько абсолютно одинаковых модулей, которые соединяются в один блок. Модули представлены полупроводниковыми фотоэлементами. Сам фотоэлемент сейчас может быть представлен большим количеством разнообразных химических элементов. Чаще всего, особенно в промышленных масштабах, для этих целей используют кремний. Пластина фотоэлемента состоит из нескольких слоев кремния, каждый из которых имеет свои физические свойства, отличные друг от друга. За счет физико-химических процессов, которые происходят в этих слоях кремния, как только на них попадают фотоны, образуется разность потенциалов и ток электронов. Именно за счет этих процессов во внешней цепи образуется напряжение.

Когда такая панель подключена к электрическому устройству или если в ее конструкции присутствует аккумулятор, получается замкнутая цепь, по которой электроны бегают как по воображаемому колесу. Именно таким образом в аккумуляторе и набирается заряд.

В стандартной схеме устройства фотоэлемент может генерировать энергию только от сильно ограниченного спектра солнечного излучения. Вся остальная часть светового потока просто пропадает впустую. Именно поэтому специалисты и говорят о низком процентном показателе эффективности солнечных панелей, хотя тут все зависит от того, в каких масштабах рассматривать этот вопрос.

Для улучшения этой ситуации применяются специализированные кремниевые полупроводниковые элементы, которые стали обладать несколькими переходами (а не одним как раньше). Конечно, это позволило повысить процент КПД солнечной панели, но ненамного.

Важным моментом осталось то, что в процессе генерирования солнечной энергии и фотоэлемент, и сама панель постепенно нагреваются. Это не дает возможность использовать устройство постоянно, время от времени его необходимо убирать от прямых солнечных лучей, особенно в жаркую погоду.

Солнечные батареи: устройство, схема солнечных элементов

Эту статью можно считать вводной в тему СЭС. Здесь будут описаны принцип работы, назначение и конструктивные особенности солнечных батарей. Также немного разберемся в терминологии солнечной энергетики.

Терминология

В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.

По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.

Вначале следует разобраться в существующих разновидностях оборудования для гелиоэнергетики. Солнечные батареи и солнечные коллекторы – это два принципиально разных устройства. Оба они преобразуют энергию лучей солнца.

Однако в первом случае на выходе потребитель получает энергию электрическую, а во втором тепловую в виде нагретого теплоносителя, т.е. солнечные панели используют для отопления дома.

Максимум отдачи от солнечной панели можно будет получить, только зная, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как все это правильно подключается

Второй нюанс – это понятие самого термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается некое аккумулирующее электроэнергию устройство. Либо на ум приходит банальный отопительный радиатор. Однако в случае с гелиобатареями ситуация кардинально иная. Они ничего в себе не накапливают.

Солнечной панелью генерируется постоянный электроток. Чтобы преобразовать его в переменный (используемый в быту), в схеме должен присутствовать инвертор

Солнечные батареи предназначены исключительно для генерации электрического тока. Он, в свою очередь, накапливается для снабжения дома электричеством ночью, когда солнце опускается за горизонт, уже в присутствующих дополнительно в схеме энергообеспечения объекта аккумуляторах.

Батарея здесь подразумевается в контексте некой совокупности однотипных компонентов, собранных в нечто единое целое. Фактически это просто панель из нескольких одинаковых фотоэлементов.

Конструктивные особенности

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

Схема работы

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

Конструкция таких приборов состоит из следующих элементов:

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

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

Если выполнить соединение солнечных элементов батареи комбинированным способом, когда используется и параллельное, и последовательное подключение, то результатом будут большие значения и напряжения, и тока.

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

Эффективность батарей гелиосистемы

Один фотоэлемент даже в полдень при ясной погоде выдает совсем немного электроэнергии, достаточной разве что для работы светодиодного фонарика.

Чтобы повысить выходную мощность, несколько ФЭП объединяют по параллельной схеме для увеличения постоянного напряжения и по последовательной для повышения силы тока.

Эффективность солнечных панелей зависит от:

  • температуры воздуха и самой батареи;
  • правильности подбора сопротивления нагрузки;
  • угла падения солнечных лучей;
  • наличия/отсутствия антибликового покрытия;
  • мощности светового потока.

Чем ниже температура на улице, тем эффективней работают фотоэлементы и гелиобатарея в целом. Здесь все просто. А вот с расчетом нагрузки ситуация сложнее. Ее следует подбирать исходя из выдаваемого панелью тока. Но его величина меняется в зависимости от погодных факторов.

Гелиопанели выпускаются с расчетом на выходное напряжение, кратное 12 В – если на аккумулятор надо подать 24 В, то две панели к нему придется подсоединить параллельно

Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться контроллером управления, который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.

Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею – прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.

Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени.

Для московского региона – это приблизительно 40–45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.

И еще один момент – пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую “грязную” преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно.

Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред.

Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.

Солнце батарею из фотоэлементов в идеале должно освещать равномерно. Если один из ее участков оказывается затемненным, то неосвещенные ФЭП превращаются в паразитную нагрузку. Они не только в подобной ситуации не генерируют энергию, но еще и забирают ее у работающих элементов.

Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.

Технология производства

Для создания солнечных панелей используется чаще всего кремний. По степени распространенности этот элемент считается вторым во всем мире. На производстве применяется кварцевый песок, причем важно, чтобы он был максимально очищен от примесей. Технология обработки этого материала включает в себя несколько этапов по его переплаву, вместе с синтезом при участии химических веществ.

Смотрим видео, этапы производства и принцип работы солнечного элемента:

Дальнейшие действия зависят от того, какого рода технический кремний планируется получить: монокристаллический, поликристаллический или аморфный. При производстве первого варианта из названных используется способ выращивания материала с однородной структурой посредством затравочного монокристалла. Для получения поликристаллического материала применяется химическое осаждение паров, при этом структура получается неоднородной, так как молекулы застывают неупорядоченно.

Схема электропитания дома от солнца

Система солнечного электроснабжения включает:

  • Гелиопанели.
  • Контроллер.
  • Аккумуляторы.
  • Инвертор (трансформатор).

Контроллер в этой схеме защищает как солнечные батареи, так и АКБ. С одной стороны он препятствует протеканию обратных токов по ночам и в пасмурную погоду, а с другой – защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.

Аккумуляторные батареи для гелиопанелей следует подбирать одинаковые по возрасту и емкости, иначе зарядка/разрядка будут происходить неравномерно, что приведет к резкому снижению срока их службы

Для трансформации постоянного тока на 12, 24 либо 48 Вольта в переменный 220-вольтовый нужен инвертор. Автомобильные аккумуляторы применять в такой схеме не рекомендуется из-за их неспособности выдерживать частые перезарядки. Лучше всего потратиться и приобрести специальные гелиевые AGM либо заливные OPzS АКБ.

Назначение и область применения

Организация энергоснабжения с помощью альтернативных источников питания сегодня явление не редкое. Устройство солнечных разнотипных батарей позволяет использовать их в сельском хозяйстве, промышленности и даже на военно-космических объектах. Такое решение очень часто применяется и в бытовых условиях для обеспечения электричеством всего дома.

Альтернативные источники энергии являются одним из способов организации энергоснабжения на удаленных территориях, где отсутствуют централизованные электросети. В данном случае использование таких панелей представляет собой намного более выгодное решение, нежели подключение к сети. В зависимости от вида батареи могут напрямую продуцировать электрический ток или сначала нагревать теплоноситель. Последний из названных вариантов относится к гелиоэнергетике.

Используемые источники:

sovet-ingenera.com, generatorvolt.ru

принцип работы панелей, готовые комплекты российского производства для частного дома

Ежеминутно на поверхность нашей планеты попадает много солнечной энергии, без которой жизнь на Земле невозможна. Однако это еще не все, на что она способна, сегодня мы вступаем в эру альтернативных возобновляемых источников энергии, используя активность Солнца, ветра и воды. Крупнейшие солнечные электростанции уже вырабатывают около 1% всей мировой электроэнергии, поэтому будущее за новыми разработками. И этим мы обязаны науке и современным технологиям, благодаря которым это стало возможным.

Устройство панелей

Растущая в цене электроэнергия поневоле заставляет задуматься об экономии. И отличной альтернативой в данном случае считаются природные источники энергии. Оптимальным решение для частного дома является альтернативная электростанция – солнечная батарея.

Изначально может показаться, что вся система солнечной батареи слишком большая, а принцип ее работы невероятно сложен. И чтобы понять, как функционирует солнечная батарея в деле, необходимо детально рассмотреть ее конструкцию.

В действительности гелиосистема устроена довольно просто и состоит из четырех основных элементов.

  • Солнечная батарея – по форме и размерам представляет собой прямоугольную панель с определенным количеством пластинок. В основу солнечной батареи входят полупроводниковые материалы. Миниатюрные преобразователи собираются в модули, а модули – в единую систему гелиоколлектора.
  • Контроллер – выполняет функцию посредника между солнечным модулем и аккумулятором. Он необходим для отслеживания уровня заряда аккумулятора. Его роль крайне важна во всей цепи – контроллер не дает закипать или падать электрическому потенциалу, который необходим для стабильного функционирования всей системы.
  • Инвертор – преобразует постоянный ток солнечного модуля в переменный 220-230 вольт. Гибридный сетевой инвертор может использовать для своей работы как постоянный, так и переменный ток. Но стоит учитывать, что для работы инвертора тоже необходима энергия, и его расход составляет порядка 30% потерь на преобразование. И в пасмурную погоду или в темное время суток вся энергия для работы будет расходоваться из аккумулятора. То есть если аккумулятор разрядится, то инвертор перестанет работать.
  • Аккумулятор – преобразованная в электричество солнечная энергия не всегда используется в доме в полном объеме. Излишки могут накапливаться в аккумуляторе и использоваться в темное время суток и в пасмурную погоду.

Но перед тем как приступить к выбору и установке солнечной батареи на крыше, необходимо разобраться в принципах работы устройства, а также рассчитать рабочие узлы гелиосистемы.

Технические характеристики

Основным элементом каждой солнечной батареи является фотоэлектрический преобразователь.

В массовом производстве используется три типа элементов из кремния.

  • Монокристаллические – искусственно выращенные кремниевые кристаллы нарезаются на тонкие пластины. В основу модуля входит очищенный чистый кремний. Поверхность больше похожа на пчелиные соты или небольшие ячейки, которые соединяются между собой в единую структуру. Готовые маленькие пластинки соединяются между собой сеткой из электроводов. В данном случае процесс производства более трудоемкий и энергозатратный, что отражается на конечной стоимости солнечной батареи. Но монокристаллические элементы обладают большей производительностью, а средний КПД составляет около 24%. Срок службы монокристаллических батарей больше, они прослужат в среднем около 30 лет.
  • Поликристаллические – в основе кремниевый расплав. Такие модули считаются оптимальным решением для жилого частного дачного дома. Несколько кристаллов из кремния объединяются в один фотоэлемент. Поверхность поликристаллической солнечной батареи имеет неоднородную поверхность, из-за чего хуже поглощает свет. И КПД, соответственно, ниже, находится в пределах 20%. Срок службы поликристаллической панели составляет 20-25 лет. Они имеют характерное отличие – темно-синий цвет покрытия. Такие модули дешевле аналогов, что позволяет окупить всю систему примерно за 3 года.
  • Тонкопленочные – имеют гибкую подложку, что позволяет монтировать батарею на любую поверхность с углами и изгибами. Тонкий слой полупроводников наносится методом напыления на поверхность батареи. Такие системы имеют очевидный недостаток – маленький КПД. Производительность в среднем составляет около 10%. То есть для обеспечения энергией дома потребуется в два раза больше тонкопленочных батарей, чем поликристаллических. И срок службы таких панелей меньше других аналогов – в среднем ресурс работы составляет около 20 лет.

Идеально, если солнечные батареи могут полностью обеспечить дом электроэнергией. Но довольно часто энергия Солнца используется для горячего водоснабжения или же для отопления. Но чтобы выполнить любую из этих целей, необходимо высчитать реальную мощность на квадратный метр и необходимое количество модулей. Мощность солнечного модуля зависит от количества солнечных лучей, которые попадают на поверхность батареи. Чтобы правильно сделать выбор, также следует изучить принцип действия домашней мини-электростанции.

Принцип действия

Первый прототип гелиоколлектора, который всем известен еще с прошлого века – это дачный летний душ. Он представлял собой большую емкость, которая окрашивалась в черный цвет, в течение дня вода в ней нагревалась, что позволяло каждому дачнику вечером принимать теплый душ.

Гелиоколлектор – это плоская панель, которая располагается на улице, как правило, на крыше, и способна преобразовывать 90% солнечного излучения в энергию. В дальнейшем энергия отправляется в систему и распределяется на нужды электроснабжения. Но если гелиосистема используется для отопления или горячего водоснабжения, то энергия при помощи маломощного насоса направляется в бак-аккумулятор.

В разное время суток и в разные сезоны уровень освещения меняется. Поэтому для обеспечения бесперебойной поставки энергии в дом солнечная батарея имеет целую систему. Ученые научились управлять таким микрофизическим явлением, как фотоэлектрический эффект. И хотя, на первый взгляд, принцип действия кажется технически сложным, в действительности, принцип действия и схема электрической цепи выглядят очень просто.

Основная задача всей системы заключается в том, чтобы преобразовать энергию солнца и выдать постоянный ток определенной величины.

Плюсы и минусы

Установить солнечные батареи в своем доме может каждый желающий.

К тому же они имеют множество преимуществ.

  • Энергоэффективность – в зависимости от своего вида солнечные батареи имеют разный показатель. Но в среднем КПД составляет от 14 до 30%.
  • Солнечные батареи особенно востребованы на дачных участках. И этому есть два разумных объяснения. Во-первых, дачные участки зачастую находятся вдали от централизованных источников энергоснабжения в районах с малоразвитой инфраструктурой. И во-вторых, преобразование солнечных лучей в энергию особенно актуально именно в разгар дачного сезона – летом.
  • При необходимости мини-электростанцию можно дополнять новыми солнечными батареями для увеличения мощности.
  • Экономия – для южных регионов страны использование солнечной батареи для горячего водоснабжения позволяет сэкономить до 60% энергии в среднем за год: 30% зимой и 100% летом.
  • Подобные системы актуальны не только для частного использования, например, для дома, но и для предприятий, образовательных и медицинских учреждений. В производственном цехе солнечную батарею можно использовать в качестве дополнительного источника тепла для центрального отопления зимой, а летом – для подачи технологической горячей воды.
  • Выгода – заплатить за оборудование необходимо только один раз, впоследствии система не требует никаких вложений и обслуживания.
  • Экологический источник энергии – особенно важный аспект в планетарном плане, потому что запасы энергоносителей на Земле не безграничны.
  • Надежность – в данном случае многое зависит от выбранной модели и правильности установки.

Несмотря на множество плюсов, солнечные батареи имеют один весомы недостаток: их разумнее использовать в регионах с малым числом пасмурных дней в году, а таких на территории России очень ограниченное количество.

Стоит отметить, что система окупается через несколько лет и позволяет владельцу в будущем экономить колоссальные деньги. К примеру исходя из сегодняшних тарифов на электричество и дизель, можно с уверенностью сказать, гелиосистема окупится за 3-4 года в частном загородном коттедже для семьи из 5-7 человек. А при переходе с газа – окупаемость составит до 8-10 лет.

Виды

Сегодня различные виды солнечных батарей набирают все большую популярность. На первый взгляд, может показаться, что все солнечные модули одинаковые: большое количество отдельных маленьких фотоэлементов соединены между собой и закрыты прозрачной пленкой. Но, в действительности, все модули отличаются по мощности, конструкции и размерам. И на данный момент производители поделили гелиосистемы на два основных типа: кремниевые и пленочные.

Для бытовых целей устанавливаются солнечные батареи с фотоэлементами из кремния. Они являются на рынке самыми популярными. Из которых можно также выделить три вида – это поликристаллические, монокристаллические, о них уже было рассказано более подробно в статье, и аморфные, на которых остановимся подробнее.

Аморфные – изготавливаются также на основе кремния, но, кроме того, имеют также и гибкую эластичную структуру. Но производятся не из кристаллов кремния, а из силана – другое название кремневодород. Из особенностей аморфных модулей можно отметить отличную эффективность даже при пасмурной погоде и возможность повторять любую поверхность. Но КПД значительно ниже – всего 5%.

Второй тип солнечных панелей – пленочные, вырабатывается на основе нескольких веществ.

  • Кадмий – такие панели были разработаны еще в 70-х годах прошлого столетия и использовались в космосе. Но на сегодняшний день кадмий применяется также и при производстве промышленных и бытовых солнечных электростанций.
  • Модули на основе полупроводника CIGS – разработаны из селенида меди, индия и представляют собой пленочные панели. Индий также широко используется при производстве жидкокристаллических мониторов.
  • Полимер – также используется при производстве солнечных пленочных модулей. Толщина одной панели около 100 нм, но КПД остается на уровне 5%. Но из плюсов можно отметить, что такие системы имеют доступную цену и не выделяют вредные вещества в атмосферу.

Но также на сегодняшний день на рынке представлены менее громоздкие переносные модели. Они специально разработаны для использования во время активного отдыха. Зачастую такие солнечные батареи используются для подзарядки портативных устройств: небольших гаджетов, мобильных телефонов, фотоаппаратов и видеокамер.

Портативные модули делятся на четыре вида.

  • Маломощные – дают минимальный заряд, которого хватает для подзарядки мобильного телефона.
  • Гибкие – могут сворачиваться в рулон и имеют небольшой вес, благодаря этому и обусловлена большая популярность среди туристов и путешественников.
  • Закрепленные на подложке – имеют значительно больший вес, примерно 7-10 кг и, соответственно, дают больше энергии. Такие модули специально разработаны для использования в дальних автомобильных поездках, а также могут использоваться для частичного автономного снабжения энергией загородного домика.
  • Универсальные – незаменимы в пешем туризме, устройство имеет несколько переходников для одновременного заряда различных устройств, вес может достигать 1,5 кг.

Эффективность работы зимой

Для гелиосистемы морозная погода не играет роли. Главным здесь является количество ясных световых дней. И, к примеру, если использовать солнечную батарею для горячего водоснабжения, даже в зимний период тридцатиградусных морозов можно стабильно иметь в баке воду температурой 40°C – 50°C.

В регионах с резко континентальным климатом и суровой зимой отказаться от центрального отопления не получится. Но можно дополнить систему баками косвенного нагрева, которые позволяют совмещать различные источники тепла с возможностью включения в работу энергии солнца автоматически и по мере необходимости.

А также можно использовать гелиосистему для поддержки отопления в системе «теплый пол». При этом для 100 квадратных метров пола необходимо примерно 8 коллекторов. Но в летнее время такая большая система будет избыточной, разве что можно использовать ее для поддержания температуры в бассейне или сауне.

В зимний период разумнее использовать накопленную за лето энергию. В данном случае необходимо будет дополнительно установить аккумулятор для накопления электрического заряда.

Его роль в системе вполне понятна – аккумулятор позволит запастись электричеством солнечного модуля. И тогда можно будет использовать солнечную энергию в качестве электричества.

Как выбрать?

Установка гелиосистемы на собственном участке обойдется в приличную сумму. Перед тем как приступать к установке солнечной батареи, необходимо определиться с требующейся мощностью для всех приборов. И в первую очередь необходимо вычислить оптимальную пиковую нагрузку в киловаттах и рациональное условно среднее потребление энергии в киловатт/часах для обеспечения нужд дома или участка.

Для рационального использования солнечного электричества необходимо определить:

  • пиковую нагрузку – для ее определения необходимо сложить мощность всех приборов, включенных одновременно;
  • максимум потребляемой мощности – параметр, необходимый для определения категории приборов, которые должны работать в одно время;
  • суточное потребление – определяется умножением индивидуальной мощности отдельно взятого прибора на время, в течение которого он работал;
  • среднесуточное потребление – определяется путем сложения расхода энергии всех электроприборов за одни сутки.

Все эти данные необходимы для комплектации и стабильной последующей работы солнечной батареи. Полученная информация позволит подобрать более подходящие параметры аккумуляторного блока – дорогостоящего элемента солнечной системы.

Для проведения всех расчетов понадобится лист в клетку или, если вы предпочитаете работать на компьютере, то удобнее всего будет использовать файл Excel. Подготовьте шаблон таблицы с 29-ю колонками.

Укажите названия граф по порядку.

  • Название электроприбора, бытовой техники или инструмента – специалисты рекомендуют начинать описывать энергопотребителей с прихожей, а затем двигаться вкруговую по часовой или против часовой стрелки. Если дом имеет более одного этажа, то отправной точкой всех последующих уровней служит лестница. А также укажите уличные электроприборы.
  • Индивидуальная потребляемая мощность.
  • Время суток начиная от 00 и до 23 часов, то есть для этого вам понадобится 24 колонки. В колонках со временем необходимо будет указать два числа в виде дроби: продолжительность работы в течение конкретного часа/ индивидуальную потребляемую мощность.
  • В 27 колонке укажите суммарное время работы электроприбора за сутки.
  • Для 28 колонки необходимо помножить между собой данные из 27 колонки на индивидуально потребляемую мощность.
  • После заполнения таблицы вычисляется итоговая нагрузка каждого прибора на протяжении каждого часа – полученные данные вводятся в 29 колонку.

После заполнения последней колонки определяется среднесуточное потребления. Для этого все данные в последней колонке суммируют. Но в данном расчете не учитывается потребление всей системы гелиоколлектора. Для вычисления этих данных необходимо учитывать вспомогательный коэффициент при итоговых расчетах.

Такой тщательный и кропотливый подсчет позволит получить развернутую спецификацию энергопотребителей с учетом часовых нагрузок. Поскольку солнечная энергия очень дорогая, ее расход необходимо минимизировать и рационально использовать для питания всех приборов. К примеру, если гелиоколлектор будет использоваться в качестве резервного питания дома, то полученные данные позволят исключить энергоемкие приборы от сети до окончательного восстановления основного электроснабжения.

Для постоянного снабжения дома энергией от солнечной батареи при расчетах часовые нагрузки выдвигаются вперед. Потребление электроэнергии необходимо настроить таким образом, чтобы исключить аварийные ситуации при работе системы и выровнять максимальные нагрузки.

В таком случае все максимальные нагрузки должны совпадать с максимальной активностью солнца, то есть попадать на светлое время суток.

На данном графике наглядно показано, как рационально использовать энергию солнца в доме. Первоначальный график показывает, что нагрузка распределялась в течение суток хаотично: среднесуточная почасовая составляла 750 Вт, а показатель потребления – 18 кВт в час. После точных расчетов и грамотного планирования удалось снизить показатель суточного потребления до 12 кВт/час, а среднесуточную почасовую нагрузку до 500 Вт. Данный вариант распределения энергии также подходит и для резервного питания.

Сфера применения

Солнечные батареи являются наиболее выдающимся достижением в области альтернативной энергии. Они выполняют важнейшую функцию для энергосбережения и сохранения благ цивилизации. В летний период на даче солнечные батареи могут использоваться для обеспечения энергией электроприборов и бытовой техники, системы отопления или для горячего водоснабжения.

Туристы и путешественники, как правило, выбирают переносные солнечные батареи для зарядки портативных устройств. Они незаменимы в местах, где отсутствует электропитание.

Подобные устройства можно использовать также и для энергоснабжения квартиры. И если окна вашей квартиры выходят на солнечную сторону, вы можете смело установить солнечные батареи на балконе или фасаде дома, только предварительно необходимо будет получить разрешение управляющей компании или ТСЖ.

Схема подключения

Солнечные батареи можно разместить на крыше дома, неважно, скатной или плоской, а также на балконе, фасаде или даже во дворе. Но также необходимо будет выделить место на чердаке или в подвале для всей остальной системы.

Необходимо соблюдать основные рекомендации специалистов при установке солнечной батареи.

  • Внимательно рассмотрите все элементы солнечной системы перед покупкой на отсутствие повреждений и дефектов. Во время перевозки сохраняйте заводскую упаковку комплекта, чтобы не допустить нарушения целостности экрана.
  • Основные элементы контроля и регулировки солнечных батарей занимают минимум места. Как правило, необходимый минимум включает в себя инвертор, контроллер и АКБ. А также если позволяет климат региона и технические особенности участка, то устройства управления и контроля можно установить на улице. Но лучше для всей системы мини-электростанции выбрать отапливаемое сухое помещение, потому что при снижении окружающей температуры воздуха до -5?C емкость батареи уменьшается вдвое.
  • Солнечные модули, контроллеры и инверторы выпускаются под напряжением 12, 24 и 48 вольт. Большое напряжение позволяет использовать провода с меньшим сечением. Но чем меньше напряжение, к примеру, при 12 В проще заменить вышедшие из строя аккумуляторы. При работе с 24 вольтами понадобится заменять аккумуляторы попарно. А при замене аккумулятора 48 вольт понадобится 4 батареи на одной ветке, что, в свою очередь, опасно и может привести к поражению электрическим током.
  • Для системы солнечной батареи необходимо использовать специальные аккумуляторы с меткой Solar. В идеале все аккумуляторы должны быть от одного производителя и из одной партии.
  • Количество фотоэлементов в одном модуле должно быть от 36 до 72 штук – это оптимальное количество для получения заявленного тока. Не стоит устанавливать сдвоенные модули с количеством фотоэлементов от 72 до 144. Во-первых, их проблематично транспортировать. А во-вторых, они первыми выходят из строя при сильных морозах.
  • Большие модули должны иметь усиленный корпус и дополнительную защиту в виде стекла. Поскольку модули устанавливаются на крыше, на них оказываются большие нагрузки в виде осадков и ветра.
  • Собирать комплект солнечной батарее необходимо на открытой площадке или в просторном помещении.
  • Для установки солнечной батареи на участке необходимо выбрать хорошо освещенное открытое место, на котором не появляется тень от рядом стоящих зданий или деревьев. Отлично для этого подойдет крыша дома или любой другой постройки.
  • Угол наклона солнечных модулей играет большую роль при получении энергии. Поток энергии пропорционален положению солнца. Поэтому стоит заранее предусмотреть возможность изменения угла наклона для крепления при смене сезона, когда положение солнца и направление лучей меняется.

Изготовление в домашних условиях

Комплексная гелиосистема потребует немалого вложения средств. Но все потраченные деньги вернутся в будущем. Срок окупаемости в зависимости от количества модулей и способов использования солнечной энергии будет разниться. Но все же можно уменьшить первоначальные расходы не за счет потери качества, а за счет разумного подхода к выбору компонентов солнечной батареи.

Если вы неограничены в площади установки солнечных модулей, и в вашем распоряжении есть приличное пространство, то на 100 кв. м вы можете установить поликристаллические солнечные батареи. Это позволит сэкономить немалую сумму в семейном бюджете.

Не старайтесь покрыть полностью крышу солнечными батареями. Для начала установите пару модулей и подключите к ним ту технику, которая работает от постоянного напряжения. Нарастить мощность и увеличить количество модулей можно всегда со временем.

Если вы ограничены в бюджете, то можете отказаться от установки контроллера – это вспомогательный элемент, который необходим для отслеживания уровня заряда батареи. Вместо него, можно дополнительно подсоединить к системе еще один аккумулятор – это позволит избежать перезаряда и увеличит емкость системы. А для контроля заряда можно использовать обычные автомобильные часы, которыми можно измерять напряжение, да и стоят они в разы дешевле.

И один важный совет, замените все лампы накаливания на современные. В идеале использовать светодиодные – у них гораздо меньшее потребление электроэнергии и работают они от 12 В.

Популярные производители и отзывы

При выборе солнечной батареи для дома следует ориентироваться не только на соотношение цена – качество, но и на бренд. Необходимо абсолютно доверять производителю в этом важном вопросе. А чтобы удостовериться в качестве продукции, стоит ознакомиться с техническим паспортом и отзывами.

Зачастую на рынке можно встретить трубчатый вакуумный гелиоколлектор. Такие панели производятся в основном в Китае и теоретически имеют более высокий КПД. Но в зимнее время года на таких изделиях образуется наледь и на поверхности налипает снег. Слой осадков не пропускает солнечные лучи, а жарким летним днем такая система может «закипеть», если ее вовремя не накрыть для защиты от перегрева.

Рассмотрим самые популярные на рынке солнечные батареи.

Sharp

Sharp – бренд японской корпорации, широко известный в сфере производства мощных солнечных батарей. Выпускаемая продукция подвергается тщательным исследованиям и испытаниям. Солнечные модули имеют три слоя, а КПД составляет от 37,9% до 44,4%.

IES

IES – производится в Испании. Главной особенностью продукции считается два слоя модуля и КПД в пределах 32%, что в конечном счете отображается на стоимости. Солнечные панели испанского бренда значительно дешевле японских аналогов, но все же остаются весьма дорогостоящими для использования в частных домах.

Amonix

Amonix – также находится в числе лидеров по производству солнечных батарей для промышленного использования. Эффективность выпускаемой продукции составляет 36%.

Sun Power

Sun Power – солнечные панели американского бренда также входят в рейтинг эффективных систем. КПД популярных моделей составляет 21%.

Телеком-СТВ

«Телеком-СТВ» – панели российского производства (г. Зеленоград) также занимают лидирующие позиции среди производителей. Ассортимент выпускаемой продукции очень широкий. Компания предлагает монокристаллические батареи от 18 до 270 Вт, мультикристаллические – от 5 до 250 Вт, для морского применения – от 16 до 215 Вт, и складные – от 120 до 180 Вт. Эффективность солнечных модулей составляет 20-21%, но при этом стоимость батарей ниже на 30% по сравнению с импортными брендами.

Это лишь малая часть известных производителей солнечных батарей. Но не стоит сбрасывать со счетов и другие отечественные бренды. Так, к примеру, компания Hevel (Чувашия, Россия) выпускает микроморфные тонкопленочные батареи. И как показали исследования, улучшенная панель компании эффективнее улавливает лучи рассеянной энергии. И, что немаловажно, солнечные батареи отечественного производителя имеют привлекательный внешний вид и могут устанавливаться не только на крыше, но и на фасаде здания.

Не рассматривайте для установки дешевые сдвоенные солнечные модули с большим количеством фотоэлементов. Как показывает практика, во время аномальных морозов, которые систематически ударяют по многим регионам страны, именно такие панели первыми выходят из строя. Все дело в том, что тонкая прозрачная пленка, натянутая на поверхность модуля, сжимается на холоде и от большого натяжения отслаивается и рвется. Отчего производительность солнечной батареи падает, что может привезти к скорому выходу из строя.

При выборе подходящей системы необходимо также обратить внимание на то, что мощность гелиосистемы со временем снижается на 10%.

Также сократить ресурс панелей могут:

  • поврежденная пленка на поверхности модуля;
  • замутнение пленки;
  • деформация поверхности.

Не так давно ученые пришли к выводу и доказали возможность запасания тепла в грунте. Что открывает колоссальные перспективы для альтернативной энергии. Избытки летнего тепла можно запасать под землей в грунтовых или водяных аккумуляторах тепла, расположенных на глубине от 2 до 35 метров, и расходовать энергию зимой в качестве отопления или электричества.

Советы по поводу солнечных батарей — в следующем видео.

Солнечные батареи зимой — насколько эффективно и выгодно их использовать в России?

Солнечные батареи могут быть великолепной частью вашего дома. Они определённо позволяют экономить вам деньги в течение длительного срока и постоянно могут снижать ваши счета за электроэнергию. Мы все знаем, что солнечные батареи преобразуют энергию Солнца, однако зимой солнечных дней в России немного, поэтому закономерно возникает вопрос: сколько энергии выработают солнечные батареи или коллекторы зимой?

Нужно понимать, что влияние низких температур на фотоэлектрические батареи и на солнечные тепловые коллекторы разное.

Солнечным фотоэлектрическим батареям нужен свет, а не тепло

Многие думают, что в жаркий солнечный день солнечные батареи вырабатывают больше энергии, чем в морозный солнечный день. Это не так. Для выработки электричества солнечных батареям нужен свет, а вот температура наоборот снижает их эффективность. Поэтому яркое солнце и низкая температура – идеальные условия для солнечных батарей. Конечно, в пасмурную погоду панели будут вырабатывать меньше света чем обычно, но в целом редко бывают случаи, когда в правильно рассчитанной системе аккумуляторная батарея на протяжении дня не успевает заряжаться. Зато в солнечную морозную погоду батареи будут очень эффективны. 

Чем ниже солнце над горизонтом, тем меньше энергии достигает солнечных панелей, т.к. солнечным лучам нужно пройти толщу атмосферы. Зимой Солнце всегда низко, а дни короче, поэтому энергии от него можно получить гораздо меньше, чем летом.  Зимой очень важен уровень наклона солнечных батарей. Часто выставляется универсальный угол, на целый год. Про исследование влияния угла наклона на эффективность работы солнечных батарей см. статью “Оптимальный угол установки солнечной батареи для максимальной выработки энергии в северных широтах“

Продуктивность солнечных панелей зимой может падать от 2 до 8 раз в зависимости от региона, чем южнее, тем продуктивность выше. Поэтому чем больше площадь самих батарей, тем больше энергии они смогут собирать. Если летом для работы холодильника, компьютера и освещения дома нужен 1 кВт энергии (это 4 панели по 250 ватт), то зимой для надежности лучше запастись 2 кВт.

Насколько меньше? Расчёты показывают, что система, ориентированная строго на юг и производящая около 300 кВт*ч в июне и июле, будет производить около 50-60 кВт*ч в декабре и январе, т.е. примерно в 5-6 раз меньше, чем летом. Это при условии, что солнечные панели очищены от снега. Если ваши панели будут занесены снегом, то солнечная батарея вообще не будет вырабатывать электроэнергию. Для более точной оценки выработки энергии солнечной фотоэлектрической системы при разных углах наклона можно использовать калькулятор PVWatts на сайте NREL. Калькулятор хорош тем, что рассчитывает выработку энергии с учетом потерь на загрязнение модулей, их нагрев, потерь в проводах, инверторе и проч.

Ниже пример расчёта для Самары для солнечной электростанции мощностью 1 кВт.

Пример расчета выработки энергии для солнечной фотоэлектрической станции мощностью 1 кВт, при угле наклона панелей 38 градусов, потерях в системе 15% и стоимости электроэнергии 5 руб/кВт*ч.

Работают ли солнечные коллекторы зимой?

Мы выше показали, что фотоэлектрические батареи будут производить энергию и зимой, хотя и намного меньше, чем летом. А будут ли солнечные коллекторы греть зимой воду?

Ожидаемо, что зимой мы сможем получить от солнечных коллекторов гораздо меньше тепловой энергии, чем летом. И это связано не только с меньшим приходом солнечной энергии, а также и с тем, что зимой больше потери тепла как в самом коллекторе, так и в трубах, соединяющих их с баком-аккумулятором. 

Вакуумные солнечные коллекторы в среднем могут производить до 60% тепловой энергии, которая требуется вам для горячего водоснабжения. Можно получить около 90% требуемого для ГВС количества  энергии в летние месяцы, и около 25% – зимой. Для плоских солнечных коллекторов цифра летом будет примерно такая же, но вот зимой доля энергии для ГВС от Солнца будет гораздо меньше, и связано это с бОльшими теплопотерями плоских коллекторов при низких температурах воздуха.

Для солнечных коллекторов важно следить, чтобы трубки, по которым проходит жидкость зимой не замерзала. Хотя номинально они могут нагревать воду и при -30 градусах до 10-15 градусов и дальнейший нагрев делают уже другие приборы.

Для работы в круглогодичном режиме для минимизации потерь тепла в элементах системы нужно устанавливать сплит системы с размещением бака-аккумулятора в доме. Тогда потери будут только в трубопроводах, расположенных снаружи; их нужно максимально утеплить, чтобы тепло, выработанное солнечным коллектором, дошло до бака-теплоаккумулятора.

Теплопотери через солнечный коллектор и трубопроводы – не единственная проблема при работе солнечных коллекторов зимой. В сильные морозы теплоноситель (обычно специальный “солнечный” на основе пропиленгликоля) может загустеть до такой степени, что циркуляционный насос не сможет продавить его по трубам. В нашей практике даже были случаи, когда на морозе в солнечную погоду вакуумные коллекторы закипали из-за того, что насос не мог прокачать загустевший в трубах теплоноситель. Это нужно учитывать при проектировании и эксплуатации солнечной системы теплоснабжения.

В отличие от фотоэлектрических панелей, которые на морозе работают лучше, а тепловых потерь на пути от панелей до инвертора практически нет, у солнечных тепловых систем есть потери энергии, причем они тем больше, чем холоднее.

Можно ли оптимизировать солнечные панели для работы зимой?

Зимой оптимальный угол наклона к горизонту как солнечных батарей, так и солнечных коллекторов будет больше, из-за того, что Солнце зимой более низко над горизонтом. Для того, чтобы получать максимальное количество энергии и зимой, нужно менять угол наклона солнечных батарей или коллекторов. В нашем ассортименте есть специальные монтажные конструкции для солнечных батарей, которые позволяют менять угол наклона в пределах 15-30 или 30-60 градусов. Еще больше энергии можно получить при помощи трекеров, которые следят за ходом Солнца в течение дня. Однако, большинство систем установлены с фиксированным углом наклона (особенно это относится к солнечным коллекторам, т.к. у них сложнее менять угол наклона из-за трубопроводов). Значения углов наклона для максимальной выработки энергии в различные сезоны года и в среднем за год рассматривается в статьях  Угол наклона и направление и Натурные испытания оптимального угла установки СБ.

Калькулятор PVWATTS также дает интересные результаты для различных углов наклона. Считается, что оптимально устанавливать солнечные панели под углом, равным широте местности. Действительно, для более равномерного распределения выработки энергии при не очень большом снижении годовой выработки этот угол является оптимальным. Если же нужно получить максимальную генерацию энергии в течение года, то угол наклона должен быть примерно “широта местности – 15 градусов“. То есть для Московской области угол наклона для максимальной выработки равен 38-42 градуса.

Влияние снега на работу солнечных батарей

Проблемы, которые может причинить снег солнечным батареям, обычно минимальны. Однако, нужно обратить внимание на следующие моменты, если в вашем регионе снежные зимы и у вас на крыше установлены солнечные батареи:

Чистка солнечных батарей от снега – при правильной установке занимает не больше времени, чем расчистка от снега дорожек
  1. Все солнечные панели рассчитаны выдерживать определенный вес, и снеговая нагрузка обычно гораздо меньше максимально допустимой. Все солнечные панели тестируются под давлением на производстве, чтобы быть уверенным в их сроке службе и качестве. Посмотрите на характеристики солнечной панели, обычно в спецификации указывается максимальный вес, который может выдержать солнечная панель.
  2. Если снег закрывает солнечные панели, они не могут производить электричество – но для решения этой проблемы достаточно почистить солнечную батарею специальным оборудованием. Солнечным панелям нужен солнечный свет, чтобы производить электроэнергию. В большинстве случаев солнечные панели устанавливаются под определенным углом, который обеспечивает естественный сход снега с солнечных панелей. Вы можете ускорить этот процесс при помощи ручной очистки снега специальными щетками, которые не повреждают и не царапают солнечные панели.
  3. Морозная солнечная погода повышает выработку энергии солнечными батареями.  Пока светит солнце на панели, они вырабатывают электроэнергию, зимой даже лучше, чем летом. Это значит, за 1 час солнечной погоды ваши солнечные панели зимой выработают больше энергии, чем за тот же час, но летом. Общее количество энергии, конечно же, будет меньше, потому что зимой день намного короче, чем летом, и солнечных дней меньше. 

Можно ли надеяться на солнечные батареи зимой?

К сожалению, солнечные батареи и коллекторы не смогут обеспечить вас достаточным количеством энергии в зимнее время. Но некоторые системы работают на удивление эффективно и зимой.

Не надо надеяться на то, что солнечные батареи или коллекторы обеспечат ваши потребности в горячей воде или отоплении, но они помогут существенно сэкономить вам на счетах за электричество. Настолько, что ваша система окупится менее, чем за 10 лет. А если вы не подключены к электросетям и используете генератор для получения электричества, то фотоэлектрическая система окупится за срок от нескольких месяцев до 2-3 лет в зависимости от стоимости топлива и ваших затрат на капитальный ремонт или замену топливного генератора.

Даже с учетом того, что зимой на большей части России приход солнечной радиации снижается, вложения в солнечную энергосистему продолжает оставаться доходным. Более того, есть регионы, где приход солнечной радиации зимой даже больше, чем летом (например, Дальний Восток). В любом случае, солнечные батареи позволяют экономить на платежах за электроэнергию круглый год. 

Эта статья прочитана 37683 раз(а)!

Продолжить чтение

  • 73

    Классификация солнечных фотоэлектрических электростанций — Автономные, соединенные с сетью, резервные. Солнечные батареи в системах электроснабжения.
  • 69

    Фотоэлектрические комплекты: Состав Для того, чтобы использовать солнечную энергию для питания ваших потребителей, одной солнечной батареи недостаточно. Кроме солнечной батареи нужно еще несколько составляющих. Типичный состав автономного фотоэлектрического комплекта следующий: фотоэлектрическая батарея контроллер заряда аккумуляторной батареи аккумуляторная батарея провода, коннекторы,…
  • 64

    Преимущества использования солнечных батарей в автономных и резервных системах электроснабжения Очень часто приходится сталкиваться с мнением, что применять солнечные батареи нецелесообразно, что они дороги и не окупаются. Многие думают, что гораздо легче поставить бензогенератор, который будет обеспечивать энергией ваш дом.…
  • 62

    Автономные фотоэлектрические энергосистемы Типы фотоэлектрических систем описаны на странице Фотоэлектрические системы. Рассмотрим более подробно один из видов — автономную ФЭС. Возможно создание автономной системы электроснабжения на солнечных батареях различной сложности. Наиболее простая система имеет на выходе низкое напряжение постоянного тока…
  • 60

    Есть ли выгода от приобретения солнечных батарей? Узнайте, когда ваши вложения окупятся и начнут приносить прибыль Автор: Каргиев В.М., к.т.н. Ссылка на источник при перепечатке обязательна. Солнечные батареи часто рекламируются как способ сэкономить электроэнергию и сократить счета на электричество. Это…
  • 57

    Влияние препятствий солнечным лучам на выработку энергии солнечными панелями Только малая доля солнечного излучения достигает поверхности земли 1.прямая  2.поглощение   3.отражение  4.непрямая Солнечный свет проходит свой путь от Солнца до Земли по прямой линии. Когда он достигает атмосферы, часть свет а преломляется, а…

Солнечные панели — что это такое и как работает

На фоне пагубного влияния традиционных источников энергии на климат, альтернативные источники энергии становятся все более важными и широко используются. Сюда входят солнечные панели, которые вырабатывают энергию под воздействием Солнца. Эта технология имеет большую историю, а её повсеместное применение может иметь впечатляющие результаты.

Что такое солнечные панели

Солнечные панели — приспособления, которые преобразуют солнечную энергию в постоянный электрический ток за счёт фотоэлектрического эффекта.


Фотоэлектрический эффект (упрощённое объяснение)— при нагревании полупроводниковой поверхности электроны высвобождаются и приходят в движение, таким образом образуя электрическую энергию.

Теория, связанная с солнечной энергией, была рассмотрена в 1876 году, но первые солнечные элементы стали продаваться только с 1956 года. Тогда они были не такими эффективными, как сегодня, но принцип их работы остался таким же: солнечные фотоны достигают солнечных элементов, и электричество генерируется с помощью фотоэлектрического эффекта.

Солнечные батареи, которые можно увидеть на крышах домов, состоят из множества маленьких солнечных элементов. Их отличительной чертой является внешний вид стекла, который обычно синий или серый.

Как работает солнечная панель

Это может показаться волшебством: вы поставили лист стекла под жарким Солнцем и получили достаточно энергии, чтобы охладить ваш напиток. О движущих силах этого производства энергии можно узнать ещё на уроках физики в школе, посвящённым валентной связи и электронным оболочкам.

Когда солнечные лучи попадают на поверхность солнечной панели, электроны вытесняются из верхнего слоя панели. Эти электроны создают энергию, которую вы получаете от солнечной панели.

Как работают двухсторонние солнечные батареи

Как устроены солнечные панели

Большинство солнечных панелей состоят из слоев проводящих и отражающих материалов. В традиционном солнечном элементе есть слой стекла, отрицательно заряженный кремний, положительно заряженный кремний и еще одна стеклянная панель.


Фотоэлектрический эффект в действии

Однако существуют и органические солнечные элементы, в которых используются углеродные нанотрубки, органические электролиты и тонкие слои пластика или акрила.

Почему солнечные панели становятся популярными

Потому что сегодня правительства стран уделяют больше внимания защите окружающей среды и исправлению существующего ущерба. Ущерб во многом нанесён источниками энергии, популяризированными во времена промышленной революции.

По теме: Обзор игрушек на солнечной энергии

Влияние на окружающую среду

Производство солнечных панелей действительно создает некоторые токсичные отходы, в частности, химический остаток от создания фотоэлектрических элементов. Однако производство и дальнейшая эксплуатация солнечных панелей оказывает несоизмеримо меньшее воздействие на природу, чем традиционные источники энергии.

Во время работы солнечные панели не выделяют углекислый газ, угарный газ или другие загрязнители воздуха. Для регулярной очистки и охлаждения используется вода, но не более, чем при любом другом способе производства энергии.

А отблагодарить автора можно, сделав репост этого материала в любую из социальных сетей.

фотоэлектрический эффект | физика | Britannica

фотоэлектрический эффект , процесс, при котором два разнородных материала в тесном контакте создают электрическое напряжение при воздействии света или другой лучистой энергии. Легкие поражающие кристаллы, такие как кремний или германий, в которых электроны обычно не могут свободно перемещаться от атома к атому внутри кристалла, обеспечивают энергию, необходимую для освобождения некоторых электронов из их связанного состояния. Свободные электроны легче пересекают переход между двумя разнородными кристаллами в одном направлении, чем в другом, давая одной стороне перехода отрицательный заряд и, следовательно, отрицательное напряжение по отношению к другой стороне, так же, как у одного электрода батареи отрицательное напряжение по отношению к другому.Фотоэлектрический эффект может продолжать обеспечивать напряжение и ток, пока свет продолжает падать на два материала. Этот ток можно использовать для измерения яркости падающего света или в качестве источника энергии в электрической цепи, например, в солнечной энергетической системе ( см. Солнечный элемент ).

Фотоэлектрический эффект в солнечной батарее можно проиллюстрировать аналогией с ребенком на слайде. Первоначально и электрон, и ребенок находятся в своих соответствующих «основных состояниях».Затем электрон поднимается в возбужденное состояние за счет потребления энергии, полученной от падающего света, точно так же, как ребенок поднимается в «возбужденное состояние» наверху горки за счет потребления химической энергии, хранящейся в его теле. В обоих случаях теперь в возбужденном состоянии имеется энергия, которую можно расходовать. В отсутствие материалов, образующих переходы, возбужденные свободные электроны не имеют стимула двигаться в определенном направлении; в конечном итоге они возвращаются в основное состояние. С другой стороны, всякий раз, когда два разных материала соприкасаются, вдоль контакта создается электрическое поле.Это так называемое встроенное поле, и оно воздействует на свободные электроны, эффективно «наклоняя» электронные состояния и заставляя возбужденные свободные электроны подключаться к внешней электрической нагрузке, где их избыточная энергия может рассеиваться. Внешняя нагрузка может быть простым резистором или любым из множества электрических или электронных устройств, от двигателей до радиоприемников. Соответственно, ребенок переходит на горку из-за желания развлечься. Именно на горке ребенок рассеивает лишнюю энергию.Наконец, когда избыточная энергия израсходована, и электрон, и ребенок возвращаются в основное состояние, где они могут начать весь процесс заново. Как видно из рисунка, электрон, как и ребенок, движется в одном направлении. Короче говоря, фотоэлектрический эффект производит постоянный ток (DC), который постоянно течет только в одном направлении. См. Также фотоэлектрический эффект .

Что такое солнечная панель? | Как работают солнечные панели? | Основные компоненты солнечной панели

Что такое солнечная панель?

История развития солнечной энергетики насчитывает более 100 лет.Раньше солнечная энергия в основном использовалась для производства пара, который затем можно было использовать для привода механизмов. Но только когда Эдмунд Беккерелл открыл «фотоэлектрический эффект», он позволил солнечному свету превратиться в солнечную энергию. Открытие Беккереля привело к изобретению Чарльзом Фриттсом первых реальных солнечных элементов в 1893 году, которые были изготовлены путем покрытия листов селена тонким слоем золота.

И с этого скромного начала мы сможем узнать устройство, которое мы знаем сегодня как солнечную батарею.В 1941 году американский изобретатель Рассел Ол запатентовал первый в мире кремниевый солнечный элемент на счету Bell Laboratories. Изобретением Оля в 1954 году эта же компания произвела первую солнечную панель. Солнечные панели нашли свое первое широкое применение в космических спутниках. Солнечная энергия начинается с SunSun.

Солнечные панели (также известные как «солнечные панели») используются для преобразования света от SunSun, который состоит из частиц энергии, называемых «фотонами», в электричество, которое используется электрическими нагрузками.Это можно сделать. Солнечная панель может использоваться для самых разных целей, включая кабины, телекоммуникационное оборудование, дистанционное зондирование и, конечно же, удаленные энергетические системы для производства электроэнергии в жилых и коммерческих солнечных электрических системах.

Солнечные панели (также известные как фотоэлементы или фотоэлектрические панели) определяются как электрические устройства, преобразующие световую энергию в электрическую посредством фотоэлектрического эффекта. Солнечный элемент — это, по сути, диод с P-N переходом.Солнечные элементы представляют собой форму фотоэлементов, определяемых как устройства, электрические характеристики которых, такие как ток, напряжение или сопротивление, различаются при воздействии света.

Отдельные солнечные элементы могут быть объединены в модули, известные как солнечные панели. Обычные однопереходные кремниевые солнечные панели могут производить максимальное напряжение холостого хода от 0,5 до 0,6 вольт. Само по себе это не так уж и много, но помните, что эти солнечные элементы маленькие. При добавлении к большой солнечной панели можно генерировать значительное количество возобновляемой энергии.

Также читайте: 10 ведущих механических компаний в Великобритании 2021

Как работают солнечные панели?

Солнечные панели собирают чистую возобновляемую энергию в виде солнечного света и преобразуют этот свет в электричество, которое затем можно использовать для обеспечения электроэнергией электрических нагрузок. Солнечные панели состоят из нескольких отдельных солнечных элементов, которые сами состоят из слоев кремния, фосфора (который обеспечивает отрицательный заряд) и бора (который обеспечивает положительный заряд).Солнечные панели поглощают фотоны и при этом инициируют электрический ток.

Энергия, генерируемая фотонами, пробивающими поверхность солнечной панели, позволяет электронам выбиваться с их атомных орбиталей и выпускаться в электрическое поле, создаваемое солнечными элементами, которое затем втягивает эти свободные электроны в направленные токи. Этот полный процесс известен как фотоэлектрический эффект.

Требуемое количество солнечных панелей в среднем доме требует дополнительного электричества для обеспечения всего его электричества, чтобы производить больше солнечной энергии, чем достаточная площадь на крыше, тем самым прекращая использование электроэнергии в основной энергосистеме.

В хорошо сбалансированной конфигурации с подключением к сети массив солнечных батарей вырабатывает электричество в течение дня, которое затем используется дома ночью. Программы чистых измерений позволяют владельцам солнечных батарей платить, если их система генерирует избыточную электроэнергию в доме. В автономных солнечных приложениях важнейшими компонентами являются аккумуляторный блок, контроллер заряда и, в большинстве случаев, инвертор. Солнечные батареи отправляют электричество постоянного тока (DC) в аккумуляторную батарею через контроллер заряда.

Затем питание поступает от батарейного блока к инверторам, которые преобразуют D.C. токи в переменный ток (AC), который может использоваться для оборудования, отличного от постоянного тока. С помощью инвертора размеры панелей солнечных батарей могут быть изменены в соответствии с самыми высокими требованиями к электрической нагрузке.

Ток

переменного тока можно использовать в домах или коммерческих зданиях, транспортных средствах для отдыха и лодках, удаленных домиках, коттеджах или домах, удаленном управлении движением, телекоммуникационном оборудовании, мониторинге потока нефти и газа, RTU, SCADA и т. Д.

Также читайте: 10 ведущих механических компаний в ОАЭ 2021

Основные компоненты солнечной панели:

№1.Солнечная панель

Это сердце солнечных электростанций. Солнечная панель состоит из нескольких солнечных элементов. Мы обнаружили около 35 солнечных элементов в одной панели. Энергия, производимая каждой солнечной ячейкой, очень мала, но объединение энергии 35 из них дало нам достаточно энергии для зарядки 12-вольтовой батареи.

№ 2. Солнечная батарея

Это энергогенерирующий блок из кремниевых полупроводников P-типа и N-типа. Это сердце солнечных электростанций.

№ 3. Аккумулятор

Батареи используются для возврата энергии, произведенной в течение дня, или для хранения избыточной энергии, полученной в течение ночи.

№ 4. Преобразователь постоянного тока в переменный (инвертор)

Солнечные панели вырабатывают постоянный ток, который необходимо преобразовать в переменный для подачи в дома или в электросеть.

Также читайте: 10 ведущих механических компаний в США, 2021 г.

Принцип работы солнечных панелей:

Когда свет достигает p-n-перехода, фотоны света могут легко попасть в переход через очень тонкий слой p-типа. Энергия света в виде фотонов обеспечивает переход достаточно энергии для образования множества электронно-дырочных пар.Падающий свет нарушает состояние теплового равновесия перехода. Свободные электроны в обедненных областях могут быстро перейти к n-типу перехода.

Точно так же дыры в переходе могут быстро выпасть в сторону Р-типа перехода. Как только вновь созданные свободные электроны движутся к n-типу, переход не может перемещать переход дальше из-за своего барьерного потенциала.

Точно так же вновь созданные дыры, поступающие на сторону P-типа, не могут пересекать передний переход, который стал таким же барьерным потенциалом перехода.По мере увеличения плотности электронов на одной стороне, т.е. n-типа перехода, и увеличения плотности пор на другой стороне, то есть на p-типе перехода, P.N. переход будет вести себя как небольшая батарейная панель.

Также читайте: 10 ведущих механических компаний в Индии 2021

Строительство солнечных панелей:

Конструкция солнечного элемента показана ниже. Апикальный слой этой клетки состоит из покровного стекла с антибликовым покрытием.Это стекло защищает полупроводниковые материалы от солнечного света. В этой ячейке под стеклом доступны небольшие сеточные узоры с небольшими металлическими полосами. Так что верхний слой этих ячеек можно сделать из стекла, металлических полос и антибликовых покрытий.

Самая важная часть ячеек в среднем слое, где солнечная энергия может формироваться за счет фотоэлектрического эффекта. Он состоит из двух полупроводниковых слоев, состоящих из материалов p-типа и n-типа. Базовые слои этих ячеек состоят из двух частей.Задний металлический электрод находится под полупроводником P-типа и работает с металлическими сетками, чтобы генерировать электрический ток в верхних слоях. Солнечные элементы в основном представляют собой переходной диод, хотя их конструкция немного отличается от обычного P-N-переходного диода.

Очень тонкий слой полупроводников p-типа выращен на относительно толстом полупроводнике n-типа. Затем мы применяем несколько более тонких электродов поверх полупроводникового слоя p-типа. Эти электроды не препятствуют проникновению света в тонкий слой P-типа.Прямо под слоем P-типа есть соединение P-N. Мы также предоставляем токосъемный электрод под слоем N-типа. Мы окружаем всю сборку тонким стеклом, чтобы защитить солнечную панель от любых механических ударов.

Также читайте: Что такое градирни? | Работа градирен | Типы градирен

Работа солнечных панелей:

Как только солнечная энергия попадает на солнечную панель, она поглощается. Каждая панель солнечной панели включает в себя полупроводниковый материал, сочетающий в себе свойства изолятора и металлов.Таким образом, световая энергия превращается в электричество. Когда энергия солнца падает на панель, полупроводник поглощается, энергия фотонов передается электронам и позволяет электронам течь через материал, как электрический ток.

Когда солнечный свет падает на солнечный элемент, большое количество фотонов попадает в область P-кремния. После поглощения энергии фотона пара электронов и дырок разделится. Электрон перемещается из поля p-типа в поле n-типа из-за действия электрического поля на p-n-переходе.

Кроме того, диод перевернут, чтобы увеличить это электрическое поле. Таким образом, этот ток начинает течь в цепях отдельных солнечных элементов. Мы объединяем ток всех солнечных элементов в солнечной панели, чтобы получить значительную мощность. На солнечных электростанциях большое количество солнечных панелей соединено между собой для достижения высокого выходного напряжения.

Электрическая энергия, поступающая от совместных усилий солнечных панелей, подается на литий-ионную батарею в ночное время, когда нет солнечного света.

Также читайте: Что такое градирни? | Работа градирен | Типы градирен

Преимущества солнечных панелей:

К преимуществам солнечных батарей можно отнести следующее.

  • Это возобновляемый источник энергии.
  • Счет за электроэнергию можно уменьшить за счет его использования.
  • Расходы на техническое обслуживание низкие.
  • Простота эксплуатации.
  • Не производит шума и выбросов.
  • Он не использует воду или топливо для выработки электроэнергии.
  • Срок службы этих клеток составляет около 30 лет.
  • Требуется меньше обслуживания.
  • Никакое загрязнение не связано с этим.
  • Это должно длиться долго.

Также прочтите: Как работает радиатор? | Части радиатора | Охлаждающая жидкость в радиаторе | Неисправность радиатора

Недостатки солнечных панелей:

  • Имеет высокую стоимость монтажа.
  • Его КПД невысокий.
  • В пасмурные дни нельзя производить энергию, и даже ночью мы не получаем солнечную энергию.
  • Требуется много земли, чтобы занять ее навсегда.
  • Первоначальная стоимость установки очень высока.
  • Варианты накопления энергии более эффективны, если не более эффективны.
  • Производство электроэнергии намного меньше, чем ядерные или другие ресурсы для производства электроэнергии.
  • В пасмурную погоду несколько дней доставляет беспокойство.
  • Их производство вызывает загрязнение.

Применение солнечных панелей:

  • Солнечная электростанция наиболее эффективно обеспечивает города электроэнергией.
  • Солнечные панели можно использовать для индивидуальной выработки электроэнергии для каждого дома, особенно в отдаленных районах.

Понравился пост? Поделитесь этим с вашими друзьями!

Рекомендуемое чтение —

Как работает солнечная панель — Принципы работы солнечной панели

Поликристаллический солнечный элемент

Поликристаллические элементы несколько дешевле в производстве. Жидкий кремний сначала заливается в блоки для получения поликристаллических солнечных элементов.При затвердевании типичная структура ледяного цветка характеризуется большим количеством отдельных кристаллов. Эта кристаллическая структура сформирована иначе. Дефекты возникают на внешних границах. Из-за этих дефектов кристалла эффективность поликристаллического солнечного элемента составляет всего 13-15 процентов.

Таким образом, монокристаллический солнечный элемент более эффективен, чем поликристаллический солнечный элемент.

Аморфные солнечные элементы / тонкопленочные элементы

Аморфные солнечные элементы также называют тонкопленочными элементами.При производстве фотоактивные полупроводники наносятся тонким слоем на стеклянный лист. При непосредственном подключении к модулям аморфные солнечные элементы герметично закрываются второй стеклянной пластиной. Толщина слоев менее 1 мкм. Из-за более низких материальных затрат существенно снижаются и затраты на производство.

Тонкопленочные солнечные модули — это экономичный вариант использования солнечной энергии. Однако эффективность тонкопленочного элемента составляет всего 6-8 процентов.Несколько более высокая эффективность тонкопленочного элемента может быть получена, например, с новыми материалами. К ним относятся теллурид кадмия (CdT) и диссенденция меди и индия (CIS). Эффективность тонкопленочной ячейки можно увеличить до 8-10 процентов.

Солнечный модуль фотоэлектрической системы

Чтобы спроектировать солнечный модуль, отдельные солнечные элементы соединены между собой и защищены от атмосферных воздействий. Сверху солнечные модули, как обычно, защищены стеклянной панелью.Снизу на солнечные модули натягивается защитная пленка. Между солнечными элементами остаются меньшие пространства, сквозь которые можно смотреть. Индивидуальные солнечные модули доступны в различных размерах. От нескольких ватт до 300 ватт мощности.

В среднем модули имеют выходную мощность от 130 до 250 Вт. Все солнечные модули производятся в соответствии с действующими стандартами и находятся под постоянным контролем. Гарантия высочайшего качества.

Солнечный модуль — один из самых легких с весом от 10 до 15 килограммов на квадратный метр.Размер солнечного модуля может быть разным. Однако не редкость размеры до 3 квадратных метров.

Между тем, солнечная черепица также доступна на рынке. Они монтируются на крыше, как обычная черепица.

Фотоэлемент — определение и принцип работы

Как работает фотоэлемент

Фотоэлектрический элемент сделан из полупроводниковых материалов, которые поглощают фотоны, испускаемые солнцем, и генерируют поток электронов. Фотоны — это элементарные частицы, переносящие солнечное излучение со скоростью 300 000 километров в секунду.В 1920-е годы Альберт Эйнштейн называл их «крупинками света». Когда фотоны сталкиваются с полупроводниковым материалом, таким как кремний, кристаллы кремния происходят из кремнезема, основного соединения кварца и песка. Кремний — полупроводниковый материал. , они высвобождают электроны из его атомов, оставляя после себя свободное пространство. Блуждающие электроны беспорядочно перемещаются в поисках другой «дыры», которую нужно заполнить.

Однако для выработки электрического тока электроны должны течь в одном направлении.Это достигается с помощью двух типов кремния. Слой кремния, который подвергается воздействию солнца, легирован атомами фосфора, который имеет еще один электрон. Материя состоит из атомов. Атом состоит из ядра, состоящего из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (нейтральный заряд) … чем кремний, в то время как другая сторона легирована атомами бора Бор — металлоид, полупроводящий химический элемент (символ B) … , у которого на один электрон меньше. Полученный сэндвич работает очень похоже на батарею: слой с избыточными электронами становится отрицательной клеммой (n), а сторона с дефицитом электронов становится положительной клеммой (p).На стыке двух слоев создается электрическое поле.

Когда электроны возбуждаются фотонами, они уносятся электрическим полем в n-сторону, а дырки дрейфуют в p-сторону. Электроны и дырки направляются к электрическим контактам, приложенным к обеим сторонам, прежде чем течь во внешнюю цепь в виде электрической энергии. Это производит постоянный ток. На верхнюю часть ячейки нанесено антибликовое покрытие, чтобы свести к минимуму фотонные частицы, связанные с электромагнитным излучением и квантами света… потери из-за отражения от поверхности. (См. Диаграмму.)

КПД фотоэлектрических элементов

Эффективность — это соотношение. В математике соотношение между двумя числами (отношение x к y равно x / y). Часто выражается в процентах … электроэнергии В физике мощность — это количество энергии, поставляемой системой в единицу времени. Проще говоря, мощность можно рассматривать как выход энергии … вырабатывается клеткой в ​​зависимости от количества получаемого ею солнечного света.Для измерения эффективности ячейки объединяются в модули, которые, в свою очередь, собираются в массивы. Полученные панели затем помещаются перед имитатором солнечного света, который имитирует идеальные условия солнечного света: 1000 Вт (Вт) света на кубический метр при температуре окружающей среды 25 ° C. Электрическая мощность, производимая системой, или пиковая мощность, представляет собой процент поступающей солнечной энергии. Если панель размером один квадратный метр вырабатывает 200 Вт электроэнергии, ее КПД составляет 20%. Максимальная теоретическая эффективность фотоэлемента составляет около 33%.Это называется пределом Шокли-Кайссера.

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1839 году Эдмоном Беккерелем.

В реальной жизни количество электричества — форма энергии, возникающая в результате движения заряженных частиц (электронов) по проводнику … производимая ячейкой, известная как ее мощность, зависит от ее эффективности, среднего годового количества солнечного света в окружающей местности и типа установки. Падающая солнечная радиация значительно варьируется, измеряя 1 мегаватт-час на квадратный метр в год (МВтч / кв.м / год) в районе Парижа по сравнению с примерно 1,7 МВтч / кв.м / год на юге Франции и почти 3 МВтч / кв.м / год в пустыне Сахара. Это означает, что солнечная панель — это совокупность фотоэлектрических элементов, соединенных проводами и покрытых стеклом или пластиковой пленкой, которая защищает элементы в плохую погоду … с рейтингом эффективности 15% будет производить 150 кВтч / кв.м / год в Париже и 450 кВтч / кв.м / год в Сахаре.

Различные типы фотоэлектрических элементов

Есть три основных типа фотоэлементов.Их эффективность преобразования постоянно повышается.

Кристаллические кремниевые элементы


Кремний извлекается из кремнезема. Последний имеет множество форм, в том числе кварц, который в больших количествах содержится в песке. Кремниевые элементы составляют более 95% рынка солнечных элементов. В коммерческих приложениях их эффективность составляет от 16,5% до 22%, в зависимости от используемой технологии.

При использовании метода холодной обработки кремний состоит из множества кристаллов и называется поликристаллическим.Ячейки просты в изготовлении и имеют лабораторный КПД более 22%. В методе вытягивания из расплава кремний превращается в большую монокристаллическую структуру и называется монокристаллическим. Его лабораторный КПД до 26,6%. ( См. Инфографику). Цена на кремниевые элементы упала в последние годы, что сделало фотоэлектрические батареи очень конкурентоспособными по сравнению с другими источниками электроэнергии.

Тонкопленочные элементы


Вместо резки кремниевых пластин размером около 200 микрон 2 можно отложить скопление природных ресурсов, таких как нефть, природный газ, уголь, уран, металлическая руда или другой товар… полупроводниковый материал тонкими слоями толщиной всего несколько микрон на подложке, такой как стекло или пластик. Обычно используемые вещества — теллурид кадмия и селенид галлия, индия и меди (CIGS), лабораторная эффективность которых близка к эффективности кремния и составляет 22,1% и 23,3% соответственно. Аморфный (некристаллический) кремний также может быть использован для изготовления тонкопленочных ячеек. Эта технология давно применяется в небольших калькуляторах, но она менее эффективна, чем кремний.

Органические клетки


1 микрон: толщина (1/1000 миллиметра) полупроводникового слоя, нанесенного на подложку тонкопленочного фотоэлектрического элемента.

Органические солнечные элементы, в которых используются органические молекулы или полимеры, а не полупроводниковые минералы, начинают применяться в коммерческих целях. Ячейки по-прежнему обладают низкой эффективностью преобразования и коротким сроком службы, но потенциально являются недорогой альтернативой с точки зрения производства. Еще одна технология — сенсибилизированные красителем солнечные элементы со светочувствительными пигментами, вдохновленная процессом фотосинтеза, который используется растениями для поддержания своего роста. Световая энергия Солнца используется для преобразования углекислого газа и воды в углеводы… , начинает привлекать внимание.

Перовскиты


Более ранние исследования в области органической фотовольтаики (OPV) привели к открытию нового типа ячейки, называемой перовскитом, в которой в качестве активного материала используются гибридные органические и неорганические соединения. Перовскиты уже достигли лабораторной эффективности на уровне других технологий (рекорд 23,7%).

Хотя перед массовым производством ячеек еще предстоит провести много исследований (нестабильность — проблема), перовскиты имеют много преимуществ.Помимо легкости и гибкости, их материалы можно смешивать с чернилами и наносить на большие поверхности. Кроме того, их производство чрезвычайно рентабельно.

Технологическая конвергенция


Ученые всего мира работают над объединением различных фотоэлектрических технологий для создания многопереходных ячеек. Использование различных материалов позволяет элементам достичь гораздо более высокой эффективности, чем максимальный теоретический предел (33,5%), при сохранении производственных затрат под контролем.Исследования в основном сосредоточены на тонкопленочных кремниевых тандемных элементах, теоретический КПД которых составляет 43%. Максимальный теоретический КПД многопереходных ячеек превышает 50%.

(1) Его сын Анри Беккерель открыл принципы радиоактивности в 1903 году вместе с Пьером и Марией Кюри.

(2) 1 микрон = 1/1000 мм миллиметра.

Как работают солнечные панели | Служба поддержки Tesla

Как в мой дом подается электричество ночью?

Мы подключаем вашу солнечную систему к электрической панели вашего дома, как и другие цепи в вашем доме.Ночью солнечная система отключится, и ваш дом будет питаться от электросети. В течение этого времени счетчик электроэнергии будет записывать, сколько энергии потребляет ваш дом, как и сегодня.

В качестве альтернативы вы можете использовать Powerwall для хранения излишков солнечной энергии, генерируемой вашим домом, и использовать эту энергию в ночное время, что позволит вам создать дом с автономным питанием.

Куда девается солнечная энергия, если я не использую ее полностью?

Когда светит солнце, энергия, вырабатываемая солнечной системой на вашей крыше, поступает в электрическую панель вашего дома.Поскольку ваша система вырабатывает больше энергии, чем может сразу потребить ваш дом, ваш электросчетчик будет отражать это как таковой. Некоторые коммунальные счетчики будут стоять на месте, в то время как двунаправленные счетчики будут вращаться в обратном направлении, когда солнечная энергия питает ваш дом. В вашем счете за электроэнергию будет указано нулевое использование в течение этого времени. В солнечный летний день ваши солнечные панели могут производить больше энергии, чем нужно вашему дому. В это время ваша солнечная система будет полностью обеспечивать энергией ваш дом, и вся избыточная энергия будет течь обратно через ваш электросчетчик, где она будет потребляться другими домами и предприятиями, подключенными к сети.Узнайте больше о кредитах на сверхнормативную солнечную энергию.

Экосистема Tesla

Ваша солнечная система будет использовать энергию, которую она собирает, для питания всех электрических нагрузок в вашем доме, включая зарядные устройства для электромобилей. Количество энергии, необходимое для ежедневной зарядки вашего автомобиля, будет зависеть от ваших привычек вождения. Для автомобилей Tesla в нормальных условиях вы можете проехать от 3 до 4 миль на кВтч энергии.

Объединив все энергетические продукты Tesla, вы можете генерировать, хранить и потреблять возобновляемую энергию в доме с автономным питанием и ездить на солнце.Эта энергетическая независимость сделает электрические сети чище, надежнее и ускорит переход мира к устойчивой энергетике.

Что такое солнечные элементы? Принцип работы и применение

Солнечный элемент — это электрическое устройство, которое используется для преобразования световой энергии в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта. Солнечный элемент — это устройство, характеристики которого (сопротивление, ток, напряжение) меняются под воздействием света. Максимальное напряжение, создаваемое одним солнечным элементом, равно 0.От 5 до 0,6 В. Солнечные элементы не зависят от источника солнечного света или искусственного источника. Работа солнечного элемента состоит из 2-х этапов: сначала поглощается свет, а затем образуются электронно-дырочные пары (экситоны). Во-вторых, носители заряда отделяются в противоположные стороны. Однако в солнечных тепловых коллекторах тепло производится за счет поглощения света. Здесь мы подробно обсудим, что такое солнечные элементы, как они сделаны, и проведем сравнение синих и черных солнечных элементов.

Что такое солнечные элементы?

Солнечные элементы можно разделить на элементы первого, второго и третьего поколений.Ячейки первого поколения, также называемые современными, стандартными или пластинчатыми ячейками, построены из кристаллического кремния, широко распространенной в настоящее время фотоэлектрической технологии, которая включает в себя такие материалы, как поликремний и монокристаллический кремний. Элементы второго поколения представляют собой тонкопленочные солнечные элементы, которые включают аморфный кремний, элементы CdTe и CIGS, и имеют коммерческое значение в фотоэлектрических электростанциях, встроенных фотоэлектрических элементах или небольших автономных электростанциях. Третье поколение солнечных элементов включает в себя ряд тонкопленочных технологий, которые часто называют новыми фотоэлектрическими элементами, большинство из которых еще не получили коммерческого применения и все еще проходят исследования или разработки.

Солнечный элемент состоит из кремниевых булей. Это поликристаллические структуры, которые имеют атомную структуру монокристалла. Наиболее часто используемый метод создания були известен как метод Чохральского.

Что такое сверхпроводники: подробное введение

Как производятся солнечные панели?

Солнечные панели изготавливаются путем объединения различных солнечных элементов. Солнечные элементы можно сгруппировать в массивы, которые представляют собой огромные группы солнечных элементов.Эти массивы, состоящие из десятков тысяч отдельных ячеек, могут действовать как центральные электростанции, превращая солнечный свет в электричество и распределяя его между промышленными, коммерческими и бытовыми потребителями. Домовладельцы поместили солнечные элементы в значительно меньшие конструкции на своих крышах, называемые панелями солнечных батарей или просто солнечными панелями, чтобы заменить их обычный источник энергии. Для преобразования солнечного света в постоянный ток используется массив солнечных элементов. Однако с помощью инвертора ток можно изменить с постоянного на переменный.

Во многих удаленных земных регионах, где обычные источники электроэнергии либо недоступны, либо чрезмерно дороги в строительстве, солнечные батареи также используются для подачи электроэнергии. Солнечные элементы питают большинство космических установок, от спутников связи и метеорологических спутников до космических станций, поскольку у них нет движущихся частей, которые необходимо обслуживать, или топлива, которое необходимо пополнять.

Солнечные панели производятся путем очистки всего кремния и помещения его в электродуговую печь.После полного удаления всех примесей появляется термин кремниевые були, которые имеют атомную структуру монокристалла. Затем с помощью циркулярной пилы из кремниевых булей вырезаются силиконовые пластины. Обычно для нарезки используется алмазная пила. После изготовления силиконовых пластин их полируют для удаления следов пил (некоторые производители не полируют, поскольку видно, что шероховатые поверхности поглощают больше света). Затем их допируют бором или фосфором. Затем солнечные элементы электрически соединяются, эти контакты очень тонкие, поэтому на пути солнечного света нет препятствий для поглощения.Теперь этот солнечный элемент имеет блестящую поверхность, которая может отражать солнечный свет до 35%. Чтобы уменьшить это количество, используются антибликовые покрытия из оксида кремния и диоксида титана. Эти солнечные элементы теперь герметизированы силиконовой резиной. Затем солнечные элементы устанавливаются в алюминиевый каркас с задней стенкой из майлара или тедлара и стеклянной или пластиковой крышкой.

Магнитные свойства материалов: подробное объяснение

Сторона солнечного элемента, которую необходимо облучать солнечным светом, представляет собой прозрачную проводящую пленку, которая позволяет свету проникать в материал и собирать образовавшиеся носители заряда.Обычно для этой цели используются оксид индия и олова и проводящие полимеры, имеющие высокий коэффициент пропускания и высокую электрическую проводимость.

Как работают солнечные панели?

Стандартная солнечная панель состоит из слоя кремниевых элементов, металлического каркаса, стеклянного корпуса и различной проводки, позволяющей току течь от кремниевых элементов. Кремний — неметалл с проводящими свойствами, которые позволяют ему поглощать и преобразовывать электричество от солнечного света. Он приводит в движение электроны, когда свет взаимодействует с кремниевой ячейкой, которая инициирует электрический ток.Это ответ на вопрос, что такое фотоэлектрический эффект.

Работа солнечной панели

Когда фотоны солнечного света попадают на солнечную панель, они поглощаются полупроводниковыми материалами, такими как легированный кремний. Поглощая этот падающий свет, электроны переходят со своего текущего энергетического уровня на более высокие энергетические уровни. Теперь эти электроны перемещаются, пока не достигнут электрода в ячейке. Итак, электричество производится, когда ток течет через материал.

Кремний используется в 2 слоя, один легирован бором, а другой — фосфором.Заряд на обоих слоях разный, что составляет 2 электрода с противоположным зарядом. Таким образом, наконец, ток начинает течь по цепи. Структура солнечного элемента показана на диаграмме ниже:

Черный солнечный элемент против синего солнечного элемента

Подавляющее большинство солнечных элементов состоит из кремния, который является неметаллическим материалом. Причина использования кремния в солнечных панелях заключается в том, что он обладает высокой способностью поглощать большинство длин волн света, он может производить заряд, и с его помощью можно создавать почти идеальные кристаллы по низкой цене.Большинство солнечных панелей имеют синий цвет, поскольку они сделаны из поликристаллического кремния (состоящего из множества сплавленных вместе фрагментов кремния), а некоторые панели имеют черный цвет и состоят из монокристаллического кремния (из монокристалла кремния). . Обычно видны синие солнечные панели, они имеют синий цвет из-за их антибликового покрытия, которое способствует поглощению света и увеличивает эффективность солнечной панели. Однако черные солнечные панели более эффективны, поскольку черный цвет, естественно, поглощает больше света.

Сколько типов энергии существует во Вселенной?

Синие солнечные панели

Кремний, используемый в этих солнечных элементах, берется из сырого кремния, который плавится и заливается в квадратную форму. В результате отдельные кристаллы кремния образуются в форме, поскольку кремний здесь не выравнивается идеально. Благодаря индивидуальному силикону он имеет пятнистый мерцающий синий цвет. По сравнению с монокристаллическим кремнием, в производстве поликристаллических материалов тратится меньше энергии, поэтому они больше используются на рынке, поскольку их цена также невысока.Синий солнечный элемент производит меньше отходов в производственном процессе по сравнению с черным солнечным элементом.

Черные солнечные панели

Монокристаллические солнечные элементы имеют очень высокий уровень чистоты. В нем создается один большой кристалл кремния, название «черный» ему предложено из-за того, как с ним взаимодействует свет. В этих солнечных панелях расходуется некоторое количество энергии и кремния, поэтому они дороги. Черный цвет поглощает тепло больше, чем синий, поэтому эффективность черных солнечных панелей выше, чем у синих.Однако процесс производства черных солнечных панелей сложен, но они имеют больший срок службы.

Почему солнечные панели синие и блестящие?

Подавляющее большинство солнечных панелей сделано из чрезвычайно хрупкого кристаллического кремния. Поскольку солнечные панели в жилых помещениях подвергаются воздействию элементов, солнечные панели с закаленным стеклом защищают свой кремний так же, как те, которые покрывают экраны смартфонов. Обычное оконное стекло отражает примерно 8 процентов попадающего на него видимого света, и закаленное стекло не сильно отличается.Что ж, чистый кремний сам блестит, что и делает поверхность солнечной панели. Поскольку мы хотим ввести в солнечную панель максимум света, поэтому мы покрываем ее антибликовым слоем, даже после этого некоторая часть падающего света теряется и отражается обратно. Однако если вы увидите солнечную панель спереди, она покажется тусклой, но под некоторым углом будет выглядеть блестящей. Новые солнечные батареи, которые формируются, имеют меньше бликов.

Что такое космические лучи? Они вредны?

Использование солнечных элементов

Солнечные элементы используются в различных областях, например, в игрушках, часах, системах дистанционного освещения, электрических ограждениях, спутниках, аварийном электроснабжении и центральном отоплении, автомобиле на солнечных элементах, который имеет скорость 120 км. / час, радио, телевидение, прогноз погоды и телескопы.

Солнечный элемент используется для транспортных целей, т.е. солнечная энергия (создаваемая фотоэлектрическими элементами) используется в автомобилях. Солнечные батареи также используются в калькуляторах. В таких калькуляторах солнечный свет обеспечивает работу калькулятора. Панели солнечных батарей, установленные на крышах домов, используются в качестве солнечного нагревателя для нагрева воды. Затем эту воду можно использовать в домашних условиях. Более того, такие солнечные панели также используются для производства электроэнергии, чтобы сэкономить деньги и уменьшить счета за электроэнергию.

Понимание специальной добавки · Границы для молодых умов

Аннотация

Солнечные элементы используют свободно доступный солнечный свет для производства электричества.В настоящее время солнечная электроэнергия стоит недешево, потому что солнечные панели довольно дороги. А теперь представьте, что мы могли бы сократить расходы, печатая солнечные батареи, как печатаем газеты! Мы можем сделать это с помощью пластиковых солнечных элементов. В этой статье мы объясняем основные принципы работы этих новых пластиковых солнечных элементов, а затем показываем, как можно добиться потрясающего трехкратного повышения эффективности использования солнечной энергии, добавив в печатную краску специальную добавку. Функция такой особой добавки кажется почти волшебной, но, как ученые, мы знаем, что настоящая магия действительно редка, и нам просто нужно было выяснить, почему и как она работает.Это было предметом наших недавних исследований, и в этой статье мы расскажем, как мы раскрыли секрет специальной добавки.

Дешевая солнечная энергия

Пока вы читаете эту статью, ваш компьютер использует электричество. Откуда это электричество? В 2013 году около 67% электроэнергии, используемой в США, было произведено за счет сжигания угля или природного газа [1]. Что делать, если запасы угля и природного газа закончатся? А как насчет загрязнения и изменения климата, вызванных сжиганием газа и угля? Есть гораздо более дружелюбный источник энергии: солнце! Лучше всего то, что это бесплатно! Солнце всегда светит и дает Земле энергию в виде света даже в пасмурные дни.Солнечные панели преобразуют этот свет в электричество, но солнечные панели по-прежнему довольно дороги. Если бы солнечные батареи были менее дорогими, мы могли бы использовать солнце в полной мере и иметь очень дешевую электроэнергию!

Печать пластиковых солнечных элементов

Ученые недавно нашли новый способ изготовления солнечных батарей: печатая их! Большинство людей думают о печати таких вещей, как книги, но мы также можем использовать специальные принтеры для печати предметов, сделанных из пластика. Пластмассы состоят из полимеров , которые представляют собой очень длинные молекулы.Под очень сильным микроскопом полимеры выглядят как приготовленные спагетти, но на самом деле они в миллион раз меньше. Для печати на пластике достаточно заменить картридж ink в своем домашнем принтере «пластиковыми чернилами». Пластиковые чернила представляют собой комбинацию двух полимеров, растворенных в жидкости. При печати жидкость высыхает, и два полимера образуют тонкую пленку. Для солнечных батарей мы используем особый тип полимера, который может преобразовывать солнечный свет в электричество.

Пластиковые солнечные элементы можно напечатать на больших рулонах гибкой пленки.Недавно были напечатаны солнечные панели длиной 100 м [2]. Используя эти дешевые солнечные панели, только около 1,5% энергии солнечного света преобразуется в электричество. Эта эффективность все еще низка по сравнению с дорогими солнечными панелями, которые вы можете купить сейчас, которые могут преобразовывать 15–20% солнечной энергии в электричество. Но будущее выглядит светлым. В лабораториях по всему миру уже производятся небольшие пластиковые солнечные элементы с гораздо более высокой эффективностью, примерно до 12% [3]. Один из приемов повышения эффективности — это добавление специальной добавки к пластиковым чернилам перед печатью.Эта специальная добавка была обнаружена случайно [4], но если мы хотим еще больше повысить эффективность пластиковых солнечных панелей, нам нужно знать, почему эта специальная добавка работает. Понять, как работают пластиковые солнечные элементы, непросто. Многие ученые работали над этой темой годами. В качестве предыстории мы объясняем наиболее важные результаты в следующих двух абзацах, но если вы чувствуете, что вам больше хочется узнать о секретах специальной добавки, вы можете пропустить эти параграфы и прочитать о наших исследованиях и наших результатах далее.

Как пластиковые солнечные элементы превращают свет в электричество?

Чтобы ответить на этот важный вопрос, мы должны посмотреть, как изготавливаются пластиковые солнечные элементы. Пластиковые солнечные элементы состоят из пластикового слоя на стекле или гибкой фольги. В лаборатории мы используем стеклянные пластины с прозрачным электрическим контактом [положительный (+) полюс]. Поверх этого контакта мы наносим чернила для активного слоя , который является частью солнечного элемента, преобразующего солнечный свет в электричество. Эти чернила содержат два полимера, длинный зеленый и более короткий красный.Полимеры образуют смешанный слой, как показано на Рисунке 1. Поверх этого слоя мы помещаем металлический слой, который функционирует как отрицательный (-) полюс. Затем мы переворачиваем всю стопку слоев вверх дном, чтобы солнечный свет мог светить через стекло в активный слой.

  • Рисунок 1 — Схема пластикового солнечного элемента.
  • Солнечный свет создает положительный (+) и отрицательный (-) заряд на границе раздела двух полимеров. Заряд (-) перемещается к полюсу (-) солнечного элемента, а заряд (+) — к полюсу (+).Эти столбы работают так же, как и батареи, но питаются от солнца и никогда не разрядятся, пока светит солнце.

Нарисованная структура красного и зеленого полимеров на Рисунке 1 — это именно то, что нам нужно! Между двумя полимерами имеется много интерфейса , или площади контакта. Это необходимо, потому что солнечный свет создает электрические заряды только в тех областях, где два полимера соприкасаются. Когда свет поглощается (желтая звезда), генерируются положительный (+) и отрицательный (-) электрические заряды.Обычно + и — притягиваются друг к другу, и энергия теряется. В пластиковых солнечных элементах красный и зеленый полимеры обеспечивают разделение зарядов. Положительный и отрицательный заряды затем перемещаются к полюсам + и -. Теперь свет превращается в движущиеся заряды, то есть в электричество! Подумайте, насколько это полезно — мы используем солнечный свет и два дешевых пластика для производства электроэнергии!

Можем ли мы увидеть эти мелкие полимеры?

Зеленый и красный полимеры настолько малы, что мы не можем их легко увидеть даже при использовании обычного микроскопа.Но мы можем увидеть их с помощью электронного микроскопа , который использует не свет, а электроны, чтобы «смотреть» на солнечные элементы. На рисунке 2 мы показываем электронные микроскопические изображения реальных пластиковых солнечных элементов. Это изображения, смотрящие на активный слой. Два полимера проявляются как темные и светлые области, а не как красный и зеленый, потому что электроны «дальтоник». Слева показан плохо работающий пластиковый солнечный элемент. Большие капли создают очень мало интерфейса, и эффективность низкая: 1.5%. Справа показан гораздо лучший пластиковый фотоэлемент. Структура между темными и светлыми областями теперь настолько мала, что их на самом деле трудно увидеть, но это означает, что существует много интерфейса. Это позволяет производить больше зарядов и утроить эффективность до более чем 5%. Эти солнечные элементы все еще не самые лучшие, но они могут помочь нам понять, как работают пластиковые солнечные элементы.

  • Рис. 2 — Вид сверху на микроскопическое изображение плохого солнечного элемента (слева) и хорошего солнечного элемента (справа), сделанное с помощью электронного микроскопа.
  • Помните, что мы смотрим на очень мелкие вещи: длина масштабной линейки составляет одну миллионную метра (около 3-х миллионных футов). Масштабная линейка уместилась бы в 100 раз в ширину человеческого волоса! Большие капли на изображении слева имеют небольшую границу раздела между двумя полимерами, что плохо сказывается на эффективности солнечных элементов. На изображении справа очень маленькие волокна, которые создают большую границу раздела между двумя полимерами, что хорошо для эффективности солнечных элементов.

Специальная добавка

Как мы перешли от плохого солнечного элемента на левом изображении к хорошему солнечному элементу на правом изображении рис. 2? «Волшебный» трюк заключается в использовании специальной добавки при создании активного слоя.Добавка представляет собой медленно сохнущую жидкость, которую добавляют в чернила в небольшом количестве. Впервые этот хитрый трюк был показан в 2007 году [4], но никто не понимал, как именно он работает. Давайте сначала посмотрим, что он делает, а затем попробуем понять, сможем ли мы понять почему. Активные слои создаются с помощью процесса, называемого нанесением покрытия методом центрифугирования чернилами, как показано на рисунке 3. Нанесение покрытия методом центрифугирования — это метод изготовления тонких пленок из краски. Обычный процесс нанесения покрытия центрифугированием показан в верхнем ряду рисунка 3. Капля краски, содержащая зеленый и красный полимеры в жидкости, помещается на стеклянную пластину.При очень быстром вращении образуется тонкая влажная пленка, которая высыхает в течение 1 секунды за счет испарения жидкости. При высыхании красный полимер образует большие капли, которые ухудшают характеристики. В нижнем ряду показан тот же процесс нанесения покрытия центрифугированием после добавления добавки в чернила. Теперь сушка занимает больше времени, около 5 с. Как видите, при использовании специальной добавки не образуются капли.

  • Рисунок 3 — Пластиковые солнечные элементы изготавливаются методом центрифугирования.
  • Покрытие методом центрифугирования — это метод изготовления тонких пленок.Здесь показан вид сбоку на этот процесс. Вид сверху выглядит как гончарный пильный круг. Сначала (слева) капля чернил (с добавкой или без) наносится на стеклянную пластину. Затем (в центре) эта стеклянная пластина вращается с высокой скоростью. Из-за вращения капля чернил растекается и образует тонкую пленку. Без добавки чернила высыхают в течение 1 секунды, а красный полимер собирается в виде капель (вверху справа), что плохо сказывается на характеристиках солнечного элемента. С добавкой сушка длится дольше, а красный полимер более рассредоточен (внизу справа), что хорошо для работы солнечных элементов.

Новая экспериментальная установка раскрыла тайну

Чтобы разгадать тайну роли специальной добавки в создании хорошего солнечного элемента, мы решили подробно изучить, как сохнет активный слой. Чтобы изучить этот процесс сушки во время процесса нанесения покрытия центрифугированием, нам пришлось построить новую экспериментальную установку. В этой установке мы направляем лазер на вращающуюся стеклянную пластину. Отражение лазера изменяется при образовании капель. Таким образом, мы обнаружили, что без добавки большие капли образуются на поздней стадии процесса сушки, и даже позже зеленый полимер меняет цвет! Чтобы понять, что происходит при изменении цвета, вспомним, что зеленый компонент представляет собой длинный полимер.Мы знаем, что длинные полимеры могут складываться, как змея. При складывании зеленые полимеры меняют свой цвет на темно-зеленый. Используя нашу специальную настройку, мы определили время, в которое цвет меняется и происходит сворачивание. Мы обнаружили, что действие специальной добавки заключается в том, что зеленый полимер складывается раньше, чем без добавки, и даже до того, как обычно образуются капли! Причина в том, что добавка и зеленый полимер очень не нравятся друг другу.В результате зеленый полимер складывается, когда он «чувствует» добавку. Мы неожиданно обнаружили, что когда зеленый полимер складывается, красный полимер не образует капель. Сворачивание зеленого полимера сдерживает образование капель и приводит к лучшему смешиванию слоев. Тайна разгадана! Диаграмма новых идей показана на рисунке 4.

  • Рисунок 4 — Схема действия специальной добавки.
  • На верхнем рисунке показана небольшая часть капли чернил, которую мы наносим на устройство для нанесения покрытий методом центрифугирования.Мы видим, что зеленые полимеры и красные полимеры смешаны. Во время нанесения покрытия центрифугированием краска высыхает. Без добавки мы видим скопление красных полимеров. С добавкой мы видим совсем другое: зеленые полимеры сворачиваются. Складывание предотвращает образование кластеров красных полимеров.

Подводя итоги и заглядывая в будущее

Пластиковые солнечные элементы обладают огромным потенциалом, поскольку их можно дешево напечатать на большой гибкой пленке. Их эффективность все еще нуждается в улучшении, но ее можно повысить втрое, добавив в чернила принтера специальную добавку.Поскольку эта добавка очень полезна, мы хотели понять, как она работает. С помощью новой экспериментальной установки, предназначенной для изучения высыхания чернил, мы обнаружили, что специальная добавка контролирует складывание одного из двух полимеров. Складывание предотвращает образование крупных капель и увеличивает границу раздела между двумя полимерами в активном слое. В интерфейсе очень важно эффективное преобразование солнечного света в электричество. В прошлом солнечные элементы оптимизировались в результате кропотливой лабораторной работы, и чтобы сделать хороший элемент, нужно было быть удачливым.Теперь, когда мы понимаем процесс сушки, мы можем придумать еще более хитрые приемы для оптимизации этих солнечных элементов! Мы надеемся, что в будущем это приведет к дешевому и эффективному производству электроэнергии с помощью печатных солнечных панелей!

Теперь вы можете попробовать ответить на эти вопросы:

  • 1. В чем преимущество пластиковых солнечных элементов по сравнению с существующими солнечными элементами?
  • 2. В чем основная проблема пластиковых фотоэлементов?
  • 3. Почему добавка — это разумная идея?
  • 4.Как это исследование сделает солнечные элементы более доступными в будущем?

Глоссарий

Активный слой : самый важный слой пластиковых солнечных элементов. В этом слое солнечный свет превращается в заряд.

Добавка : Добавка — это небольшое химическое вещество, которое можно добавлять в чернила, но оно не остается в солнечном элементе после высыхания чернил.

Электронный микроскоп : Обычный микроскоп использует свет, чтобы видеть очень мелкие предметы.Однако, если вещи слишком малы, чтобы их можно было увидеть в обычный микроскоп, нам нужно использовать электронный микроскоп. Как следует из названия, вместо света используются электроны.

Чернила : Комбинация жидких и твердых материалов, которые можно печатать или наносить на поверхность. Во время печати или нанесения покрытия жидкости испаряются, а твердые частицы остаются на поверхности.

Интерфейс : Граница между двумя материалами.

Полимер : Длинная молекула, похожая на приготовленные спагетти, но в миллион раз меньше.Пластмассы содержат полимеры.

Нанесение методом центрифугирования : Метод нанесения покрытия для получения очень тонких пленок. Капля чернил помещается на предметное стекло, которое затем вращается с высокой скоростью для растекания чернил. После растекания чернила высыхают, и на стекле остается очень тонкий слой.


Первоначальный источник статья

Франекер, Дж. Дж. В., Турбиз, М., Ли, В., Винк, М. М., Янссен, Р. А. Дж. 2015. Исследование в реальном времени преимуществ сорастворителей при обработке полимерных солнечных элементов.Nat. Commun. 6: 6229. DOI: 10.1038 / ncomms7229


Список литературы

[1] Управление энергетической информации США. 2015. Ежемесячный обзор энергетики. Доступно по адресу: http://www.eia.gov/

[2] Кребс, Ф. К., Эспиноза, Н., Хёзель, М., Сондергаард, Р. Р., Йоргенсен, М., 2013 г. 25 -я годовщина статьи : приход к власти — солнечные парки на базе ОПВ. Adv. Матер. 26: 29–39. DOI: 10.1002 / adma.201302031

[3] Юсофф, А.Р. Б. М., Ким, Д., Ким, Х. П., Шнейдер, Ф. К., да Силва, В. Дж., Джанг, Дж. 2015. Высокоэффективные полимерные солнечные элементы с инвертированным тройным переходом, обработанные на основе раствора, демонстрируют эффективность преобразования 11,83%. Energy Environ. Sci. 8: 303–16. DOI: 10.1039 / C4EE03048F

[4] Пит, Дж., Ким, Дж. Й., Коутс, Н. Э., Ма, У. Л., Моисей, Д., Хигер, А. Дж. И др. 2007. Повышение эффективности полимерных солнечных элементов с малой шириной запрещенной зоны за счет обработки алкандитиолами. Nat. Матер. 6: 497–500.DOI: 10,1038 / nmat1928

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *