Устройство солнечной батареи и солнечной панели
Фотогальванический эффект впервые наблюдал в 1939 году Антуан Анри Беккерель, французский физик, но первый прототип солнечной батареи был сделан Чарльзом Фриттсом, американским изобретателем в 1883 году. Устройство этой солнечной батареи представляло собой полупроводник, который был покрыт тончайшим слоем золота. Такая батарея имела эффективность около 1%.
Александр Столетов в 1888 году изобрел первый во всем мире фотоэлектрический элемент. Альберт Эйнштейн в 1905 году объяснил в своей работе явление фотоэлектрического эффекта, за что в 1921 году был удостоен Нобелевской премии по физике. Солнечная батарея, имеющая современный вид, была запатентована Расселом Олом в 1946 году.
Современные солнечные батареи на основе кристаллического кремния были разработаны в Лабораториях Белла инженерами Кельвином Соулзером Фуллером, Дэрил Чапин и Геральдом Пирсоном в 1954 году.
Сегодня солнечные батареи выполняются в основном на основе кремния. Есть две технологии изготовления – поликристаллическая и монокристаллическая. Первая технология более современна и применяется для получения солнечных батарей, стоимость которых дешевле.
Есть также солнечные батареи на основе теллурия, селенидов меди, кадмия, галлия и индия, аморфного кремния.
Солнечная батарея (ее называют также фотоэлектрические элементы) – это электрические твердотелые устройства, предназначенные для преобразования энергии солнца в электроэнергию посредством фотоэлектрического эффекта. Каждая солнечная батарея в своем устройстве содержит солнечные ячейки.
Солнечные ячейки объединяют для создания модулей, вырабатывающих электричество из энергии солнца. Эти сборки монтируются вместе, чтобы получалась группа из солнечных модулей. Они устанавливаются на специальные стеллажи и поворотные устройства, которые направляют группу солнечных модулей, которая включает в себя электронный обвес, на солнце. Такие сборки имеют название солнечных панелей.
В русском языке солнечными батареями называются и все детали сборки вместе, и по отдельности. Это неверно, так как слово «батарея» подразумевает аккумулирование или/и выделение энергии. С другой стороны, в солнечной панели иногда тоже есть батареи – это могут быть аккумуляторы, накапливающие заряд, который поступает от солнечных сборок. Но солнечная панель и её сборка – это уже больше генератор.
В английском языке упоминается и солнечный модуль, и солнечная панель, и фотоэлектрическая панель. Отличие заключается в том, что солнечный модуль представляет собой спаянное, самостоятельное гидроизолированное устройство, он не разбирается на солнечные ячейки. Солнечную панель можно разделить на солнечные модули.
Мы будем использовать словосочетание – солнечная батарея, которое будет означать именно неразборный солнечный модуль, скомпонованный из солнечных ячеек в солнечную панель.
Существует много видов фотогальванических ячеек. Они не обязательно используются для обустройства солнечных батарей. Они служат также для обнаружения света в других системах, например, обнаруживая инфракрасное излучение. Также они применяются для измерения интенсивности светового потока.
Существуют различные обозначения фотоэффекта. Фотовольтаический эффект – это появление электродвижущей силы под действием сил электромагнитного поля. Фотогальванический эффект – образование электрического тока в процессе освещения диэлектрика или полупроводника или образование электродвижущей силы на освещаемом образце при разомкнутой цепи.
Одновременно с этим, фотоэффект – это испускание электронов или другого электромагнитного излучения в жидких или твердых веществах.
Мы будем использовать термин фотогальванические элементы.
Устройство солнечных батарей
Как правило, устройство солнечной батареи
Нужно, чтобы строки из ячеек были самостоятельными элементами, четыре строки по 10 вольт, например. Чтобы предотвратить теневые эффекты применяются специальные схемы защиты и распараллеливания строк.
Для достижения нужного соотношения силы тока и напряжения солнечные модули соединяются в панели параллельно или последовательно. Но специалисты рекомендуют применять специальные независимые системы способствующие распределению нагрузки — maximum power point trackers (MPPT).
Данные системы помогают избежать фиксированной цепи в процессе переключения модулей в последовательный или параллельный режимы для компенсации затененных участков в устройстве солнечной батареи или панели.
Энергия, собранная с солнечной панели идет к потребителям через инвенторы напряжения. Энергия в автономных системах запасается в батареях и применяется по мере необходимости.
Принцип работы солнечных батарей
1. Фотоны попадают на поверхность солнечной батареи, ударяются о ее поверхность, а затем поглощаются ее рабочим материалом, кремнием, например.
2. Фотоны, встречаясь с атомами вещества, начинают выбивать из него его собственные электроны. В итоге возникает разность потенциалов. Электроны, которые свободны, начинают двигаться внутри вещества для погашения разности потенциалов. Образуется электрический ток. Так как солнечная батарея по своему устройству является полупроводником, то электроны могут двигаться в одном направлении.
3. Полученный ток солнечная батарея преобразует в постоянный ток и направляет его аккумулятору или потребителю.
Стоимость солнечных панелей (батарей) ежегодно неуклонно снижается. Происходит это благодаря созданию новых методов изготовления ячеек, изучения и обработки материалов.
Начиная с середины 2010 года стоимость ватта электроэнергии, производимой солнечной батареей, снизилась до 1,2-1,5 долларов для кристаллических модулей.
Технологии и материалы
Солнечные батареи создаются из кристаллического кремния. Сегодня это самое распространенное вещество для обустройства ячеек в солнечных батареях. Его еще называют «кремний солнечного качества». Данный вид кремния разделяется на виды, которые определяются размером кристаллов и методиками изготовления.
Монокристаллический кремний. Изготовляется в основном тигельным методом или методом Чохральского. Он не отличается принципиально от методов выращивания медного купороса или кристаллов соли.
Кремний расплавляется в большом тигле. Затем в него добавляется затравка, являющаяся кремниевым стержнем, вокруг которой начинается процесс нарастания нового кристалла. Затравка и тигель вращаются в разные стороны. В итоге образуется огромный круглый кристалл кремния, его нарезают на пластинки, из которых выполняются ячейки солнечной батареи. Основным недостатком метода является множество обрезков и специфическая форма солнечных монокристаллических ячеек – квадрат, у которого обрезаны углы.
Поликристаллический кремний. Этот материал является более простым и дешевым в изготовлении. В отличие от монокристаллического кремния, являющегося единым кристаллом с регулярной решеткой, поликристаллический кремний представляет собой совокупность из множества разных кристаллов, которые образуют единый кусок. Отсюда и специфический блик на поверхности солнечных батарей, в устройстве которых он содержится, напоминающий металлические хлопья.
Ленточный кремний. Это вид поли-кремния. Он создается путем наплавления тонких кремниевых слоев друг на друга. Образуется поликристаллическая решетка. Последующая распиловка не требуется, поэтому его производство еще дешевле. Но он мене эффективен.
Трекеры — системы ориентации солнечных батарей
Фотоэлектрический модуль состоит из нескольких соединенных солнечных элементов (обычно 36 элементов, соединенных последовательно), инкапсулированных в едином, долговечном и стабильном устройстве.
Главная цель инкапсуляции- защитить электрически соединенные солнечные элементы и проводку от неблагоприятной окружающей среды, в которой им приходится работать. Например, так как солнечные элементы сами по себе относительно тонкие, их очень легко сломать, если они находятся вне модуля. Кроме того металлические контакты на лицевой поверхности солнечного элемента и провода, соединяющие элементы друг с другом подвержены коррозии, вызванной водой или водяным паром. Две основные функции модуля — защитить элементы от механических повреждений и воды.
Существует множество различных видов модулей. Они часто отличаются в зависимости от типа солнечных элементов и области применения. К примеру, солнечные элементы на основе аморфного кремния обычно инкапсулируются в эластичные батареи, тогда как солнечные элементы на основе подложек кристаллического кремния помещают в жесткие модули со стеклянной поверхностью. Срок годности и гарантия на модули кристаллических солнечных элементов обычно составляет около 20 лет, что говорит об их высокой надежности.
Большинство модулей кристаллических солнечных элементов состоят из прозрачного лицевого поверхностного слоя, инкапсулятора, заднего слоя и рамки вокруг внешних краев. В большинстве модулей верхний слой изготавливают из стекла, инкапсулятор — из этилвинил ацитата (EVA), а задний слой — из поливинил флорида (PVF или Tedlar), как показано ниже
Материалы для лицевой поверхностиЛицевая поверхность фотоэлектрического модуля должна иметь высокую пропускающую способностью излучения, которое будет использоваться солнечными элементами. Для кремниевых солнечных элементов необходимо пропускать как можно больше волн в диапазоне 350-1200 нм. Кроме того лицевая поверхность должна иметь низкое отражение. Теоретически отражение можно было бы уменьшить с помощью нанесения антиотражающих покрытий, однако, на практике они оказываются недостаточно надежными для погодных условий, в которых используются солнечные батареи. Другой способ уменьшения отражения заключается в том, чтобы сделать поверхность шероховатой. Однако, при этом увеличится количество грязи и пыли, оседающих на стекле. И если обычное стекло «самоочищается», когда идет дождь или дует ветер, то «самоочищение» текстурированного стекла менее вероятно. Так что выигрыш, полученный в результате уменьшения отражения, будет быстро перевешен потерями из-за загрязнения поверхности.
Кроме свойств, связанных с пропусканием и отражением верхний слой должен также быть непроницаем для воды, иметь хорошее сопротивление к ударам, не зависеть от ультрафиолетового облучения и иметь низкое термическое сопротивление. Вода или водяной пар, попавшие внутрь модуля, приведут к коррозии металлических контактов и соединений, что значительно уменьшит срок службы модуля. В большинстве модулей лицевая поверхность используется и как элемент прочности, на котором держатся солнечные элементы и провода.
Существуют несколько материалов, из которых можно изготовить лицевую поверхность. Это акриловые волокна, полимеры или истекло. Чаще всего выбирают стекло с низким содержанием железа, так как оно имеет высокую прочность, стабильность, прозрачность, непроницаемо для воды и газов, имеет хорошие самоочистительные свойства и низкую стоимость.
Инкапсулятор нужен для создания промежуточного слоя между солнечными элементами, лицевой поверхностью и тыльной поверхностью фотоэлектрического модуля. Инкапсулятор должен сохранять свои свойства при высоких температурах и интенсивном облучении ультрафиолетом. Он также должен быть оптически прозрачным и иметь низкое термическое сопротивление. Наиболее часто в качестве инкапсулятора используются этилвинил ацетат (EVA). EVA поставляется в виде тонких листов, которые вкладываются между солнечными элементами и лицевой и тыльной поверхностями. После чего весь этот бутерброд нагревают до 150 оС, в результате чего молекулы EVA полимеризуются и связываются друг с другом.
Тыльная поверхностьГлавным требованием к задней поверхности ФЭ модуля является низкое термическое сопротивление и водонепроницаемость. В большинстве модулей в качестве задней поверхности используется тонкий полимерный слой, обычно Tedlar. Некоторые ФЭ модули спроектированы таким образом, чтобы принимать излучение сразу с обеих сторон. В таких двухсторонних модулях и лицевая и задняя поверхности должны быть изготовлены из прозрачных материалов.
КаркасПоследним элементом конструкции модуля является его обрамление. Обычно каркас делают из алюминия. Каркас не должен выступать за поверхность модуля, чтобы на ней не скапливались вода, пыль и грязь.
Несколько видов кремниевых ФВ модулей.Плотность упаковки
Плотность упаковки солнечных элементов в ФЭ модуле равна отношению площади модуля, которую занимаются солнечные элементы к пустующей площади. Плотность упаковки на ряду с рабочей температурой является фактором, определяющим выходную мощность батареи. Плотность упаковки зависит от формы используемых солнечных элементов. Например монокристаллические элементы бывают круглыми или полукруглыми, тогда как поликристаллические элементы обычно квадрантные. Поэтому плотность упаковки монокристаллических элементов ниже, чем поликристаллических. Возможные варианты упаковки круглых и квадратных элементов показана ниже.Плотность упаковки круглых и квадратных солнечных элементов. Круглые слитки выращенные по технологии Чохральского дают низкую плотность упаковки. Для того, чтобы ее увеличить, края слитков обрезают. Мультикристаллический материал разрезается на квадраты, которые дают высокую плотность упаковки.Если между элементами специально оставлять зазоры и заднюю поверхность сделать из белого материала, то можно немного увеличить выходную мощность за счет эффекта концентрации излучения (SERI), который изображен ниже. Определенное количество света, попадающего в области между солнечными элементами и проводкой, рассеивается и направляется в активные области модуля.
Эффект концентрации в модуле с редко расположенными солнечными элементами и белой отражающей задней поверхностью.
PVCDROM Christiana Honsberg и Stuart Bowden
Глоссарий — полезная информация — Рязанский завод металлокерамических приборов
Солнечный фотоэлектрический элемент (Solar Cell)
Преобразователь солнечной энергии в электрическую на основе фотоэффекта — прямого преобразования.
Солнечный фотоэлектрический элемент кремниевый (Si Solar Cell)
Солнечный фотоэлектрический элемент, выполненный на кремниевой монокристаллической или поликристаллической подложке в виде единой пластины с контактной сеткой для обеспечения токоотвода. Может иметь круглую, псевдоквадратную или квадратную (прямоугольную) форму. Стандартные размеры стороны псевдоквадрата 4″(100 мм), 5″(125 мм), 6″(156 мм), 8″(210 мм).
Солнечный фотоэлектрический модуль (Solar module, PV module, PV panel, Solar Panel)
Устройство конструктивно объединяющее электрически соединенные солнечные фотоэлектрические элементы и имеющее выходные клеммы (разъемы) для последующего соединения. Стандартное количество последовательно соединенных элементов в модуле:
18 (номинал 6В)36 (номинал 12В)48546072 (номинал 24В)96108
Солнечная батарея (Solar array, Solar generator, PV generator)
Соединенные электрически между собой солнечные фотоэлектрические модули.
STC (Standart Test Condition)
Стандартные условия тестирования. Применяются при измерении вольт-амперных характеристик солнечных фотоэлектрических элементов, модулей при их производстве. Имеют следующие значения:
Энергетическая освещенность — 1000 Вт/м2Спектральный состав — AM1.5 Температура окружающего воздуха +25, °С
NOCT (Normal Operation Cell Temperature)
Температура фотоэлектрических солнечных элементов в составе солнечного модуля при следующих условиях:
Энергетическая освещенность, — 800 Вт/м2Спектральный состав — AM1.5Температура окружающего воздуха +20, °ССкорость движения окружающего воздуха вдоль плоскости модуля 1м/с
Характеризует способность модуля охлаждаться в естественных условиях. Зависит от конструкции модуля и от применяемых материалов. Измеряется в специализированных лабораториях с выдачей соответствующих сертификатов. Применяется при строгом расчете фотоэлектрической солнечной системы. Позволяет приводить стандартные вольт-амперных характеристики модуля к условиям различной освещенности и скорости ветра. Значения для стандартных монокристаллических (мультикристаллических) модулей на стекле в диапазоне 43…49°С. Чем меньше значение, тем лучше.
Системное напряжение (System Voltage)
Максимальное напряжение солнечной батареи в системе. Обычно не менее 1000В. Характеризует качество электроизоляции.
Пиковая мощность (Maximum Power)
Точка на вольт-амперной характеристике солнечного элемента, модуля, батареи, измеренной при STC, в которой произведение тока и напряжения максимально.
Номинальная пиковая мощность (Nominal Maximum Power)
Значение пиковой мощности солнечного элемента, модуля, батареи, обозначаемое на этикетке или в наименовании типа. Может оличаться от реальной пиковой мощности для конкретного модуля в определенном производителем диапазоне, например, ±3%, -1%+3%.
Максимальная мощность (Maximum Power, P
max)Точка на вольт-амперной характеристике солнечного модуля, измеренной при любых условиях, в которой произведение тока и напряжения максимально.
Рабочее напряжение (Maximum Power Voltage, V
mp)Значение напряжения в точке максимальной мощности.
Рабочий ток (Maximum Power Current, I
mp)Значение тока в точке максимальной мощности.
Напряжение холостого хода (Open Circuit Voltage, U
oc)Значение напряжения в точке вольтамперной характеристики с нулевым током.
Ток короткого замыкания (Short Circuit Current, I
sc)Значение тока в точке вольтамперной характеристики с нулевым напряжением.
КПД (Efficiency)
Отношение максимальной мощности солнечного элемента, модуля, батареи, к произведению плотности мощности падающего излучения на площадь солнечного элемента, модуля, батареи. Обычно выражается в процентах. Значения в листах технических характеристик даются при STC. Практически не зависит от плотности мощности падающего излучения вплоть до 200Вт/м2. Зависит от температуры с отрицательным температурным коэффициентом.
Достигнутые в настоящее время значения для кремниевых солнечных элементов в серийном производстве при стандартном технологическом процессе:
21.4% монокремниевые элементы20.0% мультикремниевые элементы
Какие солнечные батареи лучше?
Какие солнечные батареи лучше?Выбирая солнечную батарею в магазине Вам непременно придется столкнуться с выбором какую солнечную панель выбрать монокристаллическую или поликристаллическую?
На этот вопрос нет однозначного ответа. Решать только Вам!
Эта статья поможет Вам разобраться в различиях между монокристаллическими солнечными модулями и поликристаллическими, а также ответит на такие вопросы:
- Какие бывают разновидности солнечных батарей?
-
Какие солнечные панели лучше?
-
Как выбрать солнечную батарею, модуль?
-
В чем отличие монокристаллических солнечных батарей от поликристаллических солнечных батарей?
-
Какие выбрать солнечные батареи для дома?
-
Что лучше поликристалл или монокристалл?
Солнечная батарея — это устройство для преобразования солнечной энергии в электрическую.
Все солнечные батареи содержат в себе солнечные ячейки. Фотогальванические ячейки спаяны вмести и заключены в корпус. Сверху они покрыты стеклом, позволяющим проникать солнечному свету к самим ячейкам, одновременно защищая их от вредных химических и механических воздействий. Солнечные ячейки соединены в модулях в серии для создания необходимого напряжения. Сзади находится крышка из пластика которая защищает электрические детали от влаги и пыли.
Сегодня на рынке солнечных батарей представлено несколько различных образцов. Отличаются они друг от друга технологией изготовления и материалами, из которых их производят.
Разновидности солнечных батарей.
Солнечные батареи изготавливают из кристаллического кремния. Это самое распространенное вещество для создания солнечных ячеек. Данный вид кремния разделяется на виды, которые определяются размером кристаллов и методиками изготовления.
Для изготовления монокристаллических солнечных батарей используют максимально чистый кремний, получаемый по методу Чохральского или изготавливаются тигельным методом.
Кремний расплавляется в большом тигле. Затем в него добавляется затравка, являющаяся кремниевым стержнем, вокруг которой начинается процесс нарастания нового кристалла. Затравка и тигель вращаются в разные стороны. В итоге образуется огромный круглый кристалл кремния, его нарезают на пластинки, из которых выполняются ячейки солнечной батареи.
Основным недостатком метода является множество обрезков и специфическая форма солнечных монокристаллических ячеек – квадрат, у которого обрезаны углы.
После затвердевания готовый монокристалл разрезают на тонкие пластины толщиной 250-300 мкм, которые пронизывают сеткой из металлических электродов.
Используемая технология является сравнительно дорогостоящей, поэтому и стоят монокристаллические батареи дороже, чем поликристаллические или аморфные. Выбирают данный вид солнечных батарей за высокий показатель КПД (порядка 17-22%).
Для создания поликристаллических солнечных батарей делают кремниевый расплав и подвергают его медленному охлаждению. В результате чего получается поликристаллический кремний, который представляет собой совокупность из множества разных кристаллов, которые образуют единый модуль. Отсюда и специфический блик на поверхности солнечных батарей, в устройстве которых он содержится, напоминающий металлические хлопья.
Поликристаллический кремний. Этот материал является более простым и дешевым в изготовлении. Такая технология требует меньших энергозатрат, следовательно, и себестоимость кремния, полученного с ее помощью меньше.
Поликристаллические солнечные батареи имеют КПД (12-18%), но заметно выигрывают в стоимости.
Различия.
Температурный коэффициент.
В процессе эксплуатации в реальных условиях солнечный модуль нагревается, в результате чего номинальная мощность солнечного модуля снижается. По результатам исследований установлено, что в результате нагрева, солнечный модуль теряет от 15 до 25% от своей номинальной мощности. В среднем у моно и поликристаллических солнечных модулей температурный коэффициент составляет -0,45%. То есть при повышении температуры на 1 градус Цельсия от стандартных условия STC, каждый солнечный модуль будет терять мощность согласно коэффициенту. Этот параметр также зависит от качества солнечных элементов и производителя. У некоторых топовых производителей температурный коэффициент модулях ниже -0,43%.
Деградация в период эксплуатации LID (Lighting Induced Degradation).
Монокристаллические солнечные модули имеют немного большую скорость деградации в сравнении с поликристаллическими солнечными модулями в первый год. Мощность качественного поликристаллического модуля в первый год снижается в среднем на 2%, монокристаллического на 3%. В последующие годы монокристаллический модуль деградирует на 0,71%, в то время как поликристаллический деградирует на 0,67% в год. Весьма незначительная разница. Многие китайские компании имеющие дистрибьюторов в России изготавливают солнечные модули из солнечных элементов малоизвестных китайских компаний. Мы знаем случаи с китайскими солнечными модулями, когда LID достигал 20% в первый же год. Поэтому перед покупкой солнечного модуля, уточните производителя солнечных элементов.
Цена.
Стоимость производства поликристаллического солнечного модуля ниже, чем монокристаллического. Весомый аргумент в пользу поликристаллического модуля.
Фото чувствительность.
В России до сих пор живет миф, о том что поликристаллический модуль более эффективно работает в пасмурную погоду. Однако ни одного официального доказательства, что это на самом деле так никто не видел. Этот вопрос больше относится к качеству и фото чувствительности солнечных элементов. Ниже представлено сравнение моно и поликристаллических модулей CSG PVtech при различной освещенности.
|
Освещенность (Вт/м2) |
200 |
400 |
600 |
800 |
1000 |
Коэффициент |
|
|
Тип модуля |
Мощность, Вт |
200/ 1000 |
400/ 1000 |
||||
|
240W Poly |
49,896 |
96,981 |
146,446 |
194,785 |
242,238 |
0,20598 |
0,40035 |
|
255W Poly |
50,336 |
102,533 |
154,760 |
206,205 |
257,152 |
0,19574 |
0,39873 |
|
250W Mono |
51,773 |
100,260 |
151,333 |
201,336 |
250,567 |
0,20662 |
0,40013 |
|
260W Mono |
51,878 |
105,748 |
159,035 |
211,609 |
262,965 |
0,19728 |
0,40214 |
Как видно из результатов теста, моно и поликристаллические модули практически одинаково ведут себя при различном уровне освещенности и имеют одинаковую фоточувствительность, во всяком случае у данного производителя это именно так. Выработку солнечных модулей при различной освещенности Вы можете определить по коэффициенту. У 250 Вт Моно при 200 Вт/м2 и 260 Вт моно при 400 Вт/м2 они наивысшие. Но опять же, разница минимальна.
Итоги и выводы.
Монокристалл — имеет меньшие размеры панелей при одинаковых мощностях (примерно на 5% процентов меньше размер солнечных панелей) из-за более высокого КПД на площадь солнечной клетки.
Поликристалл — имеет больший габаритный размер при такой же номинальной мощности и выигрышную разницу в цене (порядка 10%) в сравнении с монокристаллом.
Важно понимать то, что «Моно» не хуже и не лучше «Поли», они просто разные по способу производства. Основным различием между монокристаллическими солнечными батареями и поликристаллическими солнечными батареями, при одинаковой номинальной мощности, будет лишь габаритный размер солнечной панели и их стоимость.
Перейти к выбору солнечной батареи
Как рассчитать солнечную электростанцию и выбрать оборудование для нее?
Как рассчитать солнечную электростанцию и выбрать оборудование для нее? Очень просто!
Как рассчитать солнечную электростанцию и выбрать оборудование для нее
Расчет небольших солнечных электростанций можно сделать достаточно просто вооружившись листом бумаги и ручкой. В этой статье мы расскажем основные принципы подбора оборудования для бытовых солнечных электростанций.
ВАЖНО: комплектация солнечной системы никак не связана с площадью дома. Она зависит только от мощности подключаемого оборудования и количества потребляемой энергии.
Основными элементами солнечной электростанции являются:
· Солнечные панели – они генерируют электроэнергию, и чем они мощнее и их больше, тем больше электроэнергии можно получить в течении дня.
· Аккумуляторные батареи – в них происходит накопление элеткроэнергии, которую можно использовать в отсутствии солнца (ночью), когда выработки электричества на солнечных панелях нет.
· Контроллер заряда аккумулятора – это устройство, которое позволяет обеспечить правильные режимы заряда аккумулятора. Выбор этого устройства, как правило, чисто технический момент за исключением выбора типа контроллера MPPT или ШИМ. Иногда контроллер заряда может быть встроен в инвертор.
· Инвертор преобразователь напряжения – это устройство преобразует постоянный ток на аккумуляторах в переменный 220В, который используется во всех бытовых электроприборах. Мощность инвертора ограничивает максимальную мощность электропотребителей, которые могут быть подключены к системе.
Теперь подробно остановимся на каждом из этих элементов системы, для того, чтобы понять, какое именно оборудование и в каком количестве, нам потребуется.
Как выбрать инвертор – преобразователь напряжения
Подбор оборудования для системы начинается с выбора инвертора. Все инверторы делятся на 2 группы по форме выходного сигнала – чистый синус (форма сигнала в виде синусоиды) и модифицированный синус (форма сигнала в виде ступенек или трапеций). Если к системе будет подключаться любая индуктивная нагрузка: двигатели , компрессоры и т.д. то инвертор должен быть обязательно с чистым синусом на выходе. Т.е. если вы планируете подключать холодильник, насос, электроинструмент и т.д. то инвертор должен на выходе выдавать чистую синусоиду.
Если же подключаемая нагрузка это телевизоры, зарядные устройства, освещение и т.д. то модифицированный синус вполне подойдет.
Таким образом чистый синус имеет более широкую область применения, но и цена у него существенно дороже чем у инверторов с модифицированным синусом.
Итак, мы определили тип инвертора, который нам нужен, далее нужно определить его номинальную мощность. Для того, чтобы это сделать, нужно просуммировать мощность всех электроприборов которые могут быть включены одновременно. Мощность каждого прибора можно найти в инструкции или на самом устройстве. Например: холодильник (300Вт) + телевизор (70Вт) + насос (400Вт) + микроволновка (1000Вт) = 300Вт+70Вт+400Вт+1000Вт = 1770Вт. Соответственно в данном случае инвертор должен иметь номинальную мощность более 1770Вт. Кроме того важно понимать, что у некоторых приборов существуют пусковые токи, которые кратковременно появляются при запуске оборудования. Эти пусковые токи могут быть в 5-7 раз больше чем номинальные. Это важно учитывать при выборе инвертора. Благо у каждого инвертора есть запас прочности – пиковая нагрузка и зачастую эта характеристика в 2 раза больше номинальной мощности. Поэтому в данном примере инвертора номинальной мощностью 2000Вт хватит для обеспечения питанием указанных приборов, даже с учетом того, что у холодильника в момент пуска мощность может быть 300Вт*7=2100Вт.
Как рассчитать солнечные панели
Следующий вопрос — как рассчитать сколько солнечных батарей нужно установить, чтобы их было достаточно для обеспечения нужным количеством электроэнергии.
Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте выясним, сколько же электроэнергии мы потребляем. Это можно сделать умножив мощность электроприборов на время их работы, например: лампочка мощностью 50Вт работая в течении 3х часов, израсходует 50вт*3ч=150Вт*ч электроэнергии. Таким образом, можно посчитать полное электропотребление за сутки, но есть и более простой способ – посмотреть показания электросчетчика за месяц и разделить на количество дней в месяце. К примеру: счетчик за месяц (30 дней) накрутил 150кВт*ч электроэнергии. В среднем за сутки получается 5кВт*ч электроэнергии. Это значит, что массив солнечных панелей должен за солнечный день успеть сгенерировать такое же количество электроэнергии.
Солнечные панели бывают различного размера и мощности, и в каждом конкретном случае бывает удобнее использовать панели определенного размера, но, как правило, для средних и больших систем используются панели 250-300Вт, поскольку они наиболее оптимальны с точки зрения монтажа. Мощность панели это как раз то количество электроэнергии, которая она вырабатывает при полной освещенности. Т.е. если на солнечную панель 250Вт в течении 3х часов под прямым углом будет светить солнце, то она выработает 250Вт*3ч=750Вт*ч электроэнергии. Конечно в течении дня может быть достаточно облачно и мало света, поэтому та же самая панель при облачной погоде может вырабатывать в 3-4 раза меньше электроэнергии чем в солнечную погоду. Таким образом для грубой оценки такой подход в расчетах может подойти. Например если нужна система, которая летом должна вырабатывать 5кВт*ч электроэнергии в день, при условии, что в среднем в течении 4х часов на панель будет светить солнце (4ч*250Вт=1000Вт), то нам понадобится не менее 5 таких панелей.
Для более точного расчета необходимо использовать так называемые таблицы солнечной инсоляции, в которых указаны средние значения солнечной освещенности на 1 кв.м. за сутки в разных регионах нашей страны. К примеру в Астрахани в июне на поверхность наклоненную на 35градусов к горизонту за месяц проникает 197.7 кВт*ч энергии. За сутки в среднем получится около 6.6кВт*ч энергии. Конечно, не вся эта энергия будет преобразована в электрическую. У каждого модуля есть КПД (коэффициент полезного действия, не путать с КПД ФЭПа), в среднем это 16.5-17%. Это значит что нужно 6.6 кВт*ч умножить на 17%, в результате чего получим 1.12кВт*ч в сутки с одного квадратного метра солнечных панелей. Зная нужное нам количество энергии в сутки, к примеру 5кВт*ч, мы можем определить нужную нам площадь солнечных панелей – 5кВт*ч/1.12кВт*ч=4.46м.кв. Солнечный модуль 250Вт имеет размеры 1650х990мм и площадь равную 1.64м.кв.. Таким образом 3х модулей по 250Вт будет достаточно для генерации 5кВт*ч электроэнергии в сутки на территории Астрахани в июне.
По такому принципу делаются профессиональные расчеты систем, поскольку нет более точных данных по работе солнечных панелей, чем статистические.
Сколько нужно аккумуляторов
Количество энергии которое может быть запасено в аккумуляторной батарее можно оценить по формуле «емкость умножить на номинальное напряжение». Например аккумулятор емкостью 100Ач и напряжением 12В, может запасти в себе 100Ач*12В=1200Вт*ч электроэнергии.
Зная, сколько энергии у нас расходуется в сутки, мы можем определить какая часть этой энергии расходуется из аккумуляторов в отсутствии солнца. Но поскольку срок службы аккумуляторов на прямую зависит от глубины его разряда, и не рекомендуется разряжать аккумуляторы ниже 50%, мы рекомендуем делать расчет аккумуляторов исходя из суточного потребления, например в сутки потребляется 5кВт*ч, это 5000Вт*ч. Разделив потребление на 12В, получим требуемую емкость банка аккумуляторов 5000Вт*ч/12В=416Ач. Т.е. 4 аккумулятора по 100Ач гарантированно не разрядятся полностью в течении дня, что позволит увеличить срок их службы, а также обеспечат необходимым количеством электроэнергии в отсутствии солнца – ночью.
Как выбрать контроллер заряда аккумулятора и что это такое можно прочитать по адресу: http://oporasolar.ru/articles/11066-kontrollery-zaryada . В этой статье мы не будем останавливаться на данном этапе.
Зима-Лето
Зимой солнца сильно меньше чем летом, поэтому если вы хотите полностью автономную систему, то все расчеты необходимо делать основываюсь на минимальных значениях солнечной инсоляции, которые, как правило наблюдаются в декабре-январе. Так вы гарантированно обеспечите себе автономное питание в течении года. К примеру в той же Астрахани, значение солнечной инсоляции в декабре в 4 раза меньше чем в июне, поэтому для автономной работы системы зимой, потребуется в 4 раза больше солнечных панелей.
Наличие внешней сети или генератора
Если у вас есть возможность подключиться к сети или генератору, то это позволит не покупать большое количество солнечных панелей, для обеспечения питанием в зимнее время. При длительном отсутствии солнца можно включить сеть или генератор для зарядки аккумуляторов не небольшой период времени до полной зарядки, и продолжать получать энергию от солнца.
На сегодняшний день есть большое количество инверторов со встроенным зарядным устройством аккумуляторов, вплоть до автоматического переключения на питание от сети в случае сильного разряда аккумуляторных батарей. Такие инверторы наиболее удобны в использовании и достаточно просты в подключении.
Таким образом, мы разобрались как можно сделать расчет солнечной электростанции, а если у вас остались вопросы вы можете позвонить нам и мы поможем вам разобраться!
Солнечная батарея — устройство солнечной батареи
September 29, 2011
Солнечная батарея – или как оно работает?
Солнечная батарея – практически волшебное слово употребляемое в любой научной фантастике. Однако настоящая солнечная батарея – это далеко не обычная панель. В науке вообще нет понятия “солнечные батареи”, равно как и “солнечная батарея” – зато есть понятия ячеек, панелей и многого другого, о чем мы расскажем вам в этой статье.
В современном мире все уже пришли к пониманию того, что на нефти и газе долго цивилизация не проживет. Следовательно надо переходить на другие источники, а именно солнце, геотермальные, ветер и вода. Про ветрогенераторы мы уже писали, теперь пора писать про устройство солнечной батареи.
Впервые фотогальванический эффект наблюдал в 1839 году французский физик Антуан Анри Беккерель, однако первый прототип солнечной батареи сделал в 1883 году американский изобретатель Чарльз Фриттс. Устройство первой солнечной батареи представляло из себя полупроводник покрытый сверхтонким слоем золота. Эффективность батареи была около 1%.
В 1888 году Александр Столетов создал первый в мире фотоэлектрический элемент. А в 1905 году Альберт Эйнштейн в своей работе объяснил явление фотоэлектрического эффекта, за что был удостоен Нобелевской премии по физике в 1921 году. В 1946 году солнечная батарея современного вида была запатентована Расселом Олом (Russell Ohl).
Современные высокоэффективные солнечные батареи на кристаллическом кремнии были созданы в Лабораториях Белла (Bell Laboratories), инженерами Дэрил Чапин (Daryl Chapin), Кельвином Соулзером Фуллером (Calvin Souther Fuller) и Геральдом Пирсоном (Gerald Pearson) в 1954 году. С тех пор солнечная батарея начала свое победное шествие по миру.
Устройство солнечных батарей
Современные солнечные батареи делаются в основном на основе кремния. Существуют две технологии изготовления – монокристаллическая и поликристаллическая. Последняя более современна и используется для получения более дешевых солнечных батарей. Также существуют солнечные батареи созданные на основе теллурида кадмия, селенидов меди индия и галия, а также аморфного кремния.
Солнечная батарея (называемые также фотоэлектрические элементы) — это твердотельные электрические устройства, предназначенные для преобразования солнечной энергии в электрическую, посредством фотоэлектрического эффекта. Каждая солнечная батарея состоит из солнечных ячеек.
Сборки солнечных ячеек используются для создания модулей, для выработки электричества из солнечной энергии. Такие сборки монтируются вместе, для получения группы из солнечных модулей, которые в свою очередь устанавливаются на специальные поворотные устройства или слеллажи, ориентирующие группу солнечных модулей на солнце, которая также включает в себя другой электронный обвес. Такие сборки называются солнечными панелями.
Надо заметить, что в русском языке и все детали сборки вместе и по отдельности называют солнечными батареями. Это неверно, поскольку слово “батарея” подразумевает под собой аккумулирование и/или выделение энергии. По сути, батареи в солнечной панели тоже есть — это могут быть аккумуляторы, которые накапливают заряд, поступающий от солнечных сборок. Но солнечная сборка это скорее генератор.
Также следует сказать, что в английском языке присутствует упоминание как солнечного модуля, так и солнечной панели. Различие состоит в том, что солнечный модуль нельзя разобрать на солнечные ячейки, он представляет собой самостоятельное, спаянное и гидроизолированное устройство. В то время как солнечную панель можно разобрать на солнечные модули.
В данном цикле статей мы будем использовать более привычное словосочетание — солнечная батарея, имея ввиду именно неразборный солнечный модуль, собранный из солнечных ячеек.
Вообще видов фотогальванических ячеек много. Они необязательно используются для создания солнечных батарей. Они могут служить для обнаружения света в любых других системах, обнаруживая, например инфракрасное излучение. Также фотоэлектрические ячейки используются для измерения интенсивности светового потока.
Присутствует несколько обозначений фотоэффекта.
Фотовольтаический эффект (греч. φῶς (phōs) означающее свет и англ. “voltaic” по имени Вольты) — это возникновение электродвижущей силы под действием электромагнитного поля.
Фотогальванический эффект — возникновение электрического тока при освещении полупроводника или диэлектрика или возникновение электро-движущей силы на освещаемом образце при разомкнутой цепи.
В тоже время фотоэффект — это испускание электронов или любого электромагнитного излучения в веществах, будь то твердые или жидкие.
Для удобства мы будем употреблять термин фотогальванические элементы.
Применения солнечных батарей
Фотогальванические модули обычно заключены в своеобразный корпус. Сверху их покрывают стеклом, которое позволяет солнечному свету проникать до самих ячеек, в тоже время защищая их от внешних механических и химический воздействий. Сзади модули защищены пластиковой крышкой с креплениями.
Солнечные ячейки обычно соединены в модулях в серии, чтобы создавать достаточное напряжение, в этом случае они соединяются по последовательной схеме. Параллельное соединение ячеек дает больший ток, но оно проблематично из-за условий внешней среды и электрических эффектов, протекающих в панелях. Например затенение отдельных строк из ячеек (солнечный модуль имеет строчную структуру) может привести к обратным токам через затененные ячейки от освещенных товарищей. Это может привести к серьезному снижению эффективности и даже выходу ячеек из строя.
Строки из ячеек должны быть самостоятельными элементами, например четыре строки по десять вольт. Для предотвращения теневых эффектов используются специальные схемы распараллеливания и защиты строк.
Солнечные модули могут соединяться в панели последовательно или параллельно, для достижения необходимого соотношения напряжения и силы тока. Однако специалистами рекомендуется использовать специальные независимые системы распределения нагрузки – MPPT (maximum power point trackers).
Системы распределения помогают избежать фиксированной цепи, переключая модули в параллельный или последовательный режимы для компенсации затененных участков солнечной панели.
Собранная с солнечной панели энергия поступает к потребителям через инвенторы напряжения. В автономных системах, энергия запасается в батареях и используется по надобности.
Как работают солнечные батареи
Солнечная батарея работает следующим образом.
1. Фотоны ударяются о поверхность солнечной батареи и поглощаются её рабочим материалом, например кремнием.
2. Фотоны, сталкиваясь с атомами вещества выбивают из него его родные электроны. В результате чего возникает разность потенциалов. Свободные электроны начинают двигаться внутри вещества, чтобы погасить разность потенциалов. Возникает электрический ток. Так как солнечная батарея это полупроводник, электроны движутся только в одном направлении.
3. Получаемый ток солнечная батарея преобразует в постоянный и отдает его потребителю или аккумулятору.
Стоимость солнечных панелей (солнечных батарей) неуклонно снижается год от года. Это происходит благодаря разработке новых методов изготовления ячеей, изучению материалов и методов их обработки.
Начиная с середины 2010 года цена производимого солнечной батареей ватта электрической энергии упала до 1,2-1,5 долларов для кристаллических модулей.
Материалы и технологии
“Здесь интересно упомянуть, что кремний по английски — silicon, а силикон — silicone).”
Солнечные батареи делаются из кристаллического кремния.
Кристаллический кремний это самое популярное на сегодняшний день вещество для изготовления солнечных ячеек. Его также называют «кремний солнечного качества». Этот вид кремния подразделяют на различные виды, определяемые методиками изготовления и размером кристаллов.
Монокристаллический кремний
Чаще всего изготовляется методом Чохральского или тигельным методом. Схематично он показан на рисунке.
Принципиально он не отличается от методов выращивания кристаллов соли или медного купороса.
В большом тигле расплавляется кремний. После чего в него опускается затравка, представляющая собой кремниевый стержень-затравку, вокруг которого и начинает нарастать новый кристалл. Затравка и тигель вращаются в противоположные стороны. В результате получается огромный круглый кристалл кремния, который нарезают на пластинки, из которых изготавливают ячейки солнечной батареи. Однако главным недостатком этого метода является большое количество обрезков, а также специфическая форма монокристаллических солнечных ячеек — квадрат с обрезанными углами.
Поликристаллический кремний
Поликристаллический кремний является более дешевым и более простым в производстве. В отличие от монокристаллического кремния, который являет собой единый кристалл с регулярной решеткой, поли-кремний это совокупность из массы различных кристаллов, образующих единый кусок. Отсюда появляется специфический блик, похожий на металлические хлопья, на поверхности солнечных батарей, сделанных из него.
Ленточный кремний
Это тип поликристаллического кремния. Он изготавливается путем наплавнения тонких слоев кремния друг на друга. Образует поликристаллическую структуру. Не требует последующей распиловки, поэтому еще более дешев в производстве. Однако он менее эффективен.
Ученые запатентовали новую модель пленки для солнечных батарей
12 марта 2021 года
Ученые Энергетического факультета Южно-Уральского государственного университета (вуз – участник Проекта 5-100) разработали и запатентовали новый вид голографической пленки для защиты солнечных батарей от перегрева в условиях жаркого климата. Патент на полезную модель был получен в прошлом году после серии научных публикаций и экспериментов.
Солнечная энергетика – шаг в будущее
Использование солнечной энергии является экологически чистой альтернативой традиционному ископаемому топливу, поэтому в последнее время значительно выросла потребность в устройствах, которые могут преобразовывать солнечную энергию в электричество. Примером таких устройств служат фотоэлектрические элементы. Уже разработаны различные типы фотоэлектрических устройств, однако эффективность фотоэлектрического преобразования все еще нуждается в улучшении, и поэтому создание методов повышения их эффективности является приоритетной задачей многих исследователей.
Молодые ученые Илхом Махсумов и Евгений Сироткин под руководством доктора технических наук, профессора кафедры «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» Ирины Кирпичниковой создали голографическую пленку, которая повысит эффективность работы фотоэлектрических систем в условиях жаркого климата. Такой эффект достигается за счет защиты солнечных модулей от перегрева и повышения вырабатываемой ими энергии при помощи увеличения концентрации солнечных лучей.
Большинство фотоэлектрических модулей спроектировано таким образом, что наиболее эффективно они работают в стандартных испытательных условиях, то есть при освещенности, равной 1000 Вт/м2, и температуре воздуха +25°С. Однако на открытом воздухе в реальных условиях эксплуатации модуль, как правило, работает при более высокой температуре, что приводит к снижению генерируемой мощности и к сокращению срока службы.
«Голографическая пленка на основе призматических концентраторов (призмаконов) из прозрачного материала содержит голографические линзы бесконечно малых размеров. Сверху она покрыта ультратонким слоем напыления из редкоземельных металлов. Этот слой отражает инфракрасное излучение и пропускает видимое излучение. Внутренняя структура голографической пленки выполнена в виде миниатюрных пирамид – призматических концентраторов, способных эффективно улавливать световые лучи и за счет многократного отражения их внутри призм концентрировать на поверхности солнечного модуля. Это решение увеличивает эффективность солнечных модулей даже при пасмурной погоде», – поясняет Ирина Кирпичникова.
Новое решение улучшит работу солнечных батарей
Принцип работы голографической пленки заключается в том, что солнечные лучи попадают на поверхность модуля, при этом часть спектра (инфракрасные лучи) отражается от металлизированного верхнего слоя пленки, предотвращая перегрев модуля. Видимая часть спектра солнечного излучения попадает на пирамидальную структуру концентраторов и, неоднократно преломляясь в них, благодаря внутреннему отражению, концентрируется на солнечном элементе вне зависимости от угла падения лучей на солнечный модуль.
Эта пленка может применяться на любых органических и неорганических фотоэлектрических элементах, на фотоэлектрических панелях, солнечных тепловых панелях, на источниках освещения, на светоотражающем материале, используемом на дорожных знаках. Кроме того, она позволяет получить большое количество вариантов в направлении световых лучей, которые часто не могут быть получены иным образом.
Такое простое и экономичное решение позволяет увеличить выработку электроэнергии солнечным модулем, не допускает его перегрева и выхода из строя, в целом способствует повышению эффективности его работы.
Кандидат технических наук, научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Ворошилов Павел: «Действительно, однопереходные солнечные элементы способны эффективно преобразовывать только часть солнечного спектра. Другая же часть оказывается бесполезной для генерации электричества, а в некоторых случаях может вредить. В частности, избыточная энергия фотонов преобразуется в кинетическую энергию фотоиндуцированных носителей заряда. Это приводит к нагреванию, уменьшающему КПД солнечного элемента. Разработки, ведущиеся в данном направлении, являются важными и актуальными для дальнейшего прогресса в области фотовольтаики. Применение подобных голографических покрытий может дополнительно защищать солнечные панели от внешнего воздействия окружающей среды, увеличивая долговечность и стабильность работы солнечного элемента».
Профессор кафедры фотоники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Александр Гудовских: «Ключевыми показателями, определяющими успешность развития солнечной энергетики, являются высокая эффективность и малая стоимость фотоэлектрических преобразователей. Для повышения эффективности работы солнечных элементов необходимо снизить потери, которые связаны с отражением и неполным поглощением падающего излучения, а также с тем, что значительная часть энергии солнечного излучения преобразуется не в электрическую, а в тепловую энергию. Последний фактор связан с различными явлениями. Это в первую очередь потери на так называемую термализацию носителей заряда, когда при поглощении фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, происходит генерация носителей заряда с избыточной энергией, которая переходит в тепло. Другим источником нагрева солнечного элемента, на снижение которого направлено описываемое исследование, является нагрев металлической контактной сетки. Длинноволновая часть спектра солнечного излучения не поглощается в активных слоях солнечных элементов, проходит через них и поглощается металлической контактной сеткой, что тоже приводит к нагреву. Следует отметить, что нагрев солнечного элемента приводит к снижению эффективности его работы. Так, для самых распространенных солнечных элементов на основе кремния снижение выходной мощности составляет примерно 0,5% при нагреве на градус Цельсия, т.е. при нагреве на 20°C уменьшение выходной мощности уже составит 10%. Таким образом, предлагаемая идея снижения нагрева солнечных элементов за счет эффективного отражения инфракрасного излучения, непоглощаемого фотоактивным материалом, представляется достаточно перспективной. Однако для однозначного утверждения о выигрыше от предлагаемого решения нужно провести количественную оценку – насколько уменьшается нагрев в реальных условиях; убедиться, что не происходит оптических потерь в области фоточувствительности солнечных элементов, а также провести экономическую оценку прироста эффективности и потенциальных затрат».
Оригинал статьи: https://scientificrussia.ru/news/uchenye-zapatentovali-novuyu-model-plenki-dlya-solnechnyh-batarej
Что такое солнечная батарея?
Типы солнечных элементов
Структура солнечного элемента Как работает фотоэлемент? Когда солнечный свет попадает на поверхность солнечного элемента , он создает заряд. носитель как электроны, так и дырки. Внутреннее поле произведено соединением отделяет часть положительных зарядов (дырок) от отрицательные заряды (электроны).Дыры превращаются в позитив или p-слой, и электроны переходят в отрицательный или n-слой. Когда замыкается цепь, свободные электроны должны проходить через нагрузку рекомбинировать с положительными отверстиями; ток может быть произведен из ячеек при освещении. Отдельные солнечных элементов соединены вместе, чтобы образовать модуль (называемый «солнечный модуль » или «фотоэлектрический модуль») для увеличения тока и модули соединены в массив (называемый «солнечной батареей»). или «PV массив»).В зависимости от требований к току или напряжению, солнечные батареи подключаются различными способами:
Солнечная фотоэлектрическая система
Преимущества солнечных элементов Применение солнечных элементов
|
Несвязанная солнечная энергия — солнечные продукты и советы наших экспертов
В 1839 году девятнадцатилетний французский физик по имени Александр-Эдмон Беккерель открыл принцип действия солнечного элемента, известный как фотоэлектрический эффект.Это не было до 1876 года этот эффект стал жизнеспособным методом производства электроэнергии с работа Уильяма Гриллса Адамса. Он обнаружил, что, освещая соединение между селеном и платина, возникает фотоэлектрический эффект; электричество теперь можно было производить без движения части.
Какими бы революционными они ни были, селеновые солнечные элементы были недостаточно эффективны для питания электрическое оборудование. Эта способность появилась в 1953 году, когда сотрудник Bell Laboratories Джеральд Пирсону пришла в голову блестящая идея создать солнечный элемент из кремния вместо селена.Новый York Times назвала это открытие «началом новой эры, которая в конечном итоге привела к реализация использования почти безграничной энергии солнца для использования цивилизация ».
Как раз к космической гонке первые солнечные батареи дебютировали на спутнике. промышленность. Авангард I, первый спутник, работающий на солнечной энергии, в этом году отпраздновал свое 53-летие. установление рекордов пробега и звание старейшего искусственного спутника Земли, орбита.
Первые солнечные модули были достаточно эффективны только для космических приложений, где Солнце радиация намного сильнее. В конечном итоге спутниковые исследования проложили путь для наземных технология. 1990-е годы были поворотными для фотоэлектрических технологий. Инновации в солнечные элементы позволили повысить эффективность при снижении стоимости производства. Германии и Япония лидировала с долгосрочными программами стимулирования использования солнечной энергии, помогая снизить затраты на общественности и стимулирования роста мощной фотоэлектрической промышленности в обеих странах.
Калифорния — лидер нации
В 2006 году Калифорния сделала крупный
долгосрочная приверженность солнечной энергии, приняв Калифорнийскую солнечную инициативу, десятилетний
программа стимулирования с целью установки 3000 мегаватт солнечных панелей на эквивалентных
миллиона крыш. Калифорния является лидером по установкам солнечных панелей, поскольку
в настоящее время установлено больше фотоэлектрических систем, чем в любом другом штате. Этот невероятный бум
произошло в основном из-за Калифорнийского стандарта портфеля возобновляемых источников энергии, который требует, чтобы
К 2010 году 20 процентов электроэнергии штата будет производиться из возобновляемых источников.В 2008 г.
государство решило, что оно недостаточно быстро продвигается к достижению этих целей, и приняло
тариф, требующий от коммунальных компаний выкупа избыточной энергии, произведенной домовладельцами и
частные фотоэлектрические установки. В том же году штат также увеличил количество возобновляемых источников энергии.
Стандарт портфеля до 33 процентов к 2020 году, что значительно поможет стимулировать рост возобновляемых источников энергии.
промышленность.
Как работают солнечные панели
Фотоэлектрические солнечные модули состоят из нескольких соединенных между собой солнечных элементов,
которые эффективно захватывают энергию фотонов между слоями кремниевых пластин.Отрицательно заряженный
затем электроны выбиваются из своих атомов, позволяя им свободно течь через
полупроводники. Отдельные диоды и P-N переходы предотвращают обратные токи и уменьшают потерю
мощность на частично затемненных панелях.
Поскольку электрический ток течет в одном направлении, как батарея, Вырабатываемая электроэнергия называется постоянным током (DC). Коэффициенты конверсии солнечного света обычно находятся в диапазон от 5 до 18 процентов, при этом в некоторых лабораторных экспериментах эффективность достигает 30 процентов.Возможности будущего включают разработку многопереходных солнечных элементов, которые способен использовать более широкую полосу пропускания полезного света. Мы по-прежнему считаемся «ранние» этапы технологии солнечных батарей.
Компоненты солнечных панелей
Фотоэлектрические солнечные панели являются основным строительным блоком в системе солнечной энергии. Поскольку каждая солнечная
модуль производит ограниченное количество энергии, установки обычно состоят из нескольких панелей,
называется массивом. Массив вырабатывает DC (постоянный ток), который может храниться в батареях или
мгновенно преобразуется в переменный ток, необходимый для обычных бытовых приборов.
Оборудование, преобразующее мощность постоянного тока в переменный, известно как солнечный инвертор, и они бывают нескольких разновидностей, модифицированной синусоидальной волны или чистой синусоидальной волны. Они далее классифицируются в зависимости от того, в какой системе он будет использоваться, вне сети или в сети взаимосвязаны. В последнее время инновации в области микроинверторов сильно повлияли на упрощает установку и упрощает добавление панелей к установке. Каждая солнечная модуль сопряжен со своим собственным микроинвертором, который затем преобразует мощность непосредственно в панель.При установке вне сети использование контроллера заряда необходимо для правильного управления. сбор энергии, зарядка аккумуляторов и предотвращение перезарядки.
Самым большим нововведением в контроллерах заряда должна стать относительно новая функция под названием отслеживание точки максимальной мощности (MPPT). Этот инновационный метод постоянной зарядки аккумуляторов контролирует пиковое напряжение питания от массива и входное напряжение на батареях, регулируя силу тока чтобы компенсировать колебания. Это обеспечивает наиболее эффективные средства управления мощностью. урожай.Контроллеры заряда MPPT работают аналогично трансмиссии автомобиля, поддержание вашей системы зарядки на «правильной передаче». Другие компоненты солнечной система будет включать в себя проводку и монтажное оборудование, в то время как в некоторых установках используется трекер который меняет угол наклона и направление в течение дня.
Типы солнечных батарей
Солнечные панели подразделяются на три класса: монокристаллические
(монокристалл), поликристаллический
(множественные кристаллы) или аморфный кремний.Монокристаллический свидетельствует о
непрерывный и непрерывный образец кремния, из которого изготовлен элемент. Этот способ
использует очень чистый кремний, выращенный в сложном процессе роста, а затем разрезанный на пластины, которые
составлять отдельные ячейки. Это был первый метод, использованный для производства солнечных батарей.
по-прежнему высоко ценится за их коэффициент полезного действия.
Поликристаллические панели состоят из множества кристаллитов разного размера и ориентация. Эти поликристаллические панели, как правило, дешевле и немного дешевле. эффективнее, чем монокристаллические модули, но в последнее время разница в эффективности очень мала.Как и их монокристаллический аналог, клетки также разрезаются на пластины, которые составляют индивидуальные ячейки солнечной панели.
Аморфные солнечные панели используют некристаллическую аллотропную форму кремния, в которой тонкий слой этой кремниевой подложки нанесен на тыльную сторону стеклянной пластины. Эти панели намного дешевле и менее энергоэффективно, но они более универсальны в использовании. Для Например, аморфные солнечные панели можно изготавливать в виде длинных листов кровельного материала.Тонкий Пленочные солнечные панели также относятся к категории аморфных. Этот тип ячеек может быть установлен на гибкая поддержка, что делает их более подходящими для мобильных приложений.
Каждый из типов солнечных панелей рассчитан на срок службы не менее двадцати пяти лет. Вместо того остановив производство полностью, выработка электроэнергии будет немного снижаться постепенно, более десятилетия. Долговечность солнечной панели определяется количеством лет до запуска устройства. производит только 80 процентов от его первоначальной номинальной мощности.Промышленный стандарт для гарантий: От 20 до 25 лет, хотя нередки случаи, когда панели производят достаточную мощность более 30 лет. годы.
Off-Grid или Grid-связанные
Солнечные панели широко используются в сельской местности, где нет доступа к сети или
недоступен. Эти установки называются автономными (или независимыми, автономными) солнечными батареями.
систем, и требуют использования батарей для хранения энергии для использования в ночное время или в течение длительного времени.
участки с пасмурной погодой.Энергия, хранящаяся в батареях, покидает батареи как постоянный ток.
электричество, которое может питать приборы постоянного тока (например, дома на колесах) или преобразовываться в переменный ток.
ток (переменный ток) для использования с обычными приборами. Очень похоже на запуск собственной мини-утилиты
компании, этот метод дает вам полную независимость от национальной сети.
Вы можете сократить расходы на батареи, выбрав систему, которая подключается правильно в главную распределительную коробку вашего дома и используйте сеть в качестве источника питания ночью или на длинные участки ненастной погоды.Эти установки известны как привязанные к сетке или сетевые системы. Эта версия солнечной системы позволяет продавать любую избыточную мощность. вы производите обратно коммунальным компаниям, которые выбрали поддержку «чистого измерения». После того, как вы зарегистрируетесь в программе чистого измерения, ваша коммунальная компания получит смарт-счетчик. установлен, известный как счетчик времени использования, который фактически будет работать в обратном направлении, когда вы производите избыточная мощность. Разумно иметь в виду, что системы, привязанные к сети без резервного аккумулятора, являются Работает только при работающей сети.Из-за анти-островных функций на сетке привязан инверторы, которые защищают коммунальных служб от работы на линии, подключенной к сети, без резервная батарея не будет продолжать производить энергию во время отключения электроэнергии, независимо от того, есть у тебя солнце или нет.
Поскольку солнечные панели вырабатывают постоянный или постоянный ток, они должны быть соединены с солнечным инвертором, чтобы преобразовать энергию из постоянного в переменный или переменный ток. В системе с привязкой к сетке это можно сделать с помощью большого центрального инвертора, или каждая солнечная панель может быть оснащена собственным микроинвертором.Как только мощность преобразуется в переменный ток и ее фаза синхронизируется с фазой сетку, затем она привязывается к вашей основной распределительной коробке, которая в конечном итоге подключается к национальная сетка.
Оборудование, необходимое для системы солнечных батарей
Время чтения: 6 минутЕсли вы подумываете об установке системы солнечных панелей, вы, вероятно, потратили некоторое время на поиск финансирования, налоговых льгот и специалистов по установке солнечных батарей. Тем не менее, вы также должны узнать об оборудовании для солнечной энергии, которое необходимо вашей системе для запуска и работы.В то время как компоненты фотоэлектрической системы просты, различные варианты продуктов и бренды могут сделать процесс выбора оборудования довольно сложным. Мы разберем все оборудование для солнечной энергии, чтобы вы могли лучше подготовиться к выбору оборудования.
Пять основных типов оборудования и технологий системы солнечной энергии
Чтобы перейти на использование солнечной энергии, вам понадобится следующее оборудование:
- Солнечные панели
- Инвертор
- Стеллаж
- Контроль производительности
- Вариант хранения (аккумулятор или подключение к сети)
Панели солнечных батарей
Основное решение, связанное с оборудованием, которое вы примете, — это марка и тип панелей, которые вы выберете для вашей фотоэлектрической системы.Чтобы получить простое руководство по сравнению и сопоставлению ведущих брендов панелей, ознакомьтесь с нашим полным рейтингом лучших солнечных панелей на рынке.
Некоторые из факторов, которые следует учитывать при взвешивании вариантов, — это эффективность, стоимость, гарантия и тип технологии. Солнечные панели обычно относятся к одной из двух технологий: монокристаллической и поликристаллической. Оба типа имеют одинаковую функцию и сделаны из кремниевых элементов, но внешний вид и цена каждого существенно различаются.Монокристаллические панели более эффективны и дороги, имеют темно-синий или черный оттенок. Поликристаллические панели, более дешевый и менее эффективный вариант, имеют более светлый синий оттенок.
Инверторы
Выработка солнечной энергии на крышах — это простой процесс, в котором солнечные панели преобразуют солнечный свет в энергию постоянного тока (DC), которая может подаваться в домашнюю энергосистему. Тем не менее, большинство домов и предприятий подключены к сети переменного тока. Преобразование постоянного тока в переменное — это то место, где в игру вступают инверторы, и есть несколько вариантов для сравнения:
- Струнные инверторы : Также известный как централизованный инвертор, струнный инвертор относится к одножильной технологии, которая соединяет вашу солнечную батарею. к электрической панели вашего дома.Струнные инверторы — это наименее дорогой вариант инвертора, который вы найдете, но они не идеальны для каждой ситуации. Они подключают ваши панели к энергетической инфраструктуре вашего дома как единое целое, а это означает, что если одна панель в вашей системе не работает должным образом из-за проблемы с затенением, производительность всего вашего массива упадет до тех пор, пока эта единственная панель не восстановится.
- Микроинверторы : В отличие от струнных инверторов, микроинверторы прикрепляются индивидуально к каждой солнечной панели, что увеличивает производительность вашего массива.В приведенном выше примере, если одна панель затенена или заблокирована облаком в течение дня, остальная часть вашей солнечной системы не пострадает, потому что каждая панель имеет свой собственный микро-инвертор. Микроинверторы также предлагают мониторинг производительности на уровне панели в вашем массиве — огромный плюс для домовладельцев, заинтересованных в тщательном отслеживании мощности каждой отдельной солнечной панели. Хотя они являются наиболее эффективным технологическим вариантом оборудования, микроинверторы также являются наиболее дорогостоящими.
- Оптимизаторы мощности : Имея в виду определения микроинвертора и струнного инвертора, можно рассматривать оптимизатор мощности как их гибрид.Как и микро-инверторы, оптимизаторы мощности установлены на каждой панели. Однако они являются более доступным вариантом, чем микроинверторы, и немного дороже, чем система струнных инверторов. Оптимизаторы мощности идеально подходят для крыш с более высокими требованиями к техническому обслуживанию, которые связаны с проблемами затенения, или для панелей, которые должны быть обращены в альтернативные направления. Как и микро-инверторы, оптимизаторы мощности обеспечивают мониторинг производительности каждой панели в вашей системе. Оптимизаторы мощности не являются инверторами — они «кондиционируют» мощность постоянного тока от солнечной панели, а затем передают ее на централизованный инвертор, где происходит преобразование.Хотя оптимизаторы мощности могут повысить эффективность вашей системы, они не обеспечивают эффективность микро-инверторной системы.
Солнечные стеллажи
Домовладельцы часто удивляются, узнав, что их солнечные панели не прибиваются непосредственно к их крыше, а вместо этого устанавливаются на солнечные стеллажи. Стеллажи позволяют установщику солнечных батарей оптимально наклонить солнечные панели для максимальной производительности, а также помогают прикрепить массив к крыше, не вызывая повреждений. Солнечные панели в идеале будут смотреть на юг под углом от 30 до 50 градусов.
Термин «стеллажи» относится к установке на крыше, но существует также монтажное оборудование, которое идеально подходит для наземных солнечных и солнечных навесов для автомобилей, которые могут служить одной и той же цели — максимального увеличения угла наклона панелей для воздействия солнечного света. С наземным креплением для солнечных батарей вы можете выбирать между фиксированными и гусеничными креплениями. Фиксированные крепления являются стационарными, размещаются под заданным углом и ориентацией, тогда как направляющие предназначены для регулировки и «следования» за солнцем в течение дня, когда оно движется по небу.
Системы мониторинга и отслеживания производительности
Одна из лучших причин перейти на солнечную энергию — это наблюдать, как ваши счета за электроэнергию со временем уменьшаются. Наличие хорошей системы мониторинга производительности — ключевой интерес для домовладельцев, использующих солнечную энергию. Это изящное оборудование для солнечной энергии сообщает о почасовом производстве электроэнергии вашей солнечной системой.
Помимо того, что это забавный способ наблюдать, как панели питают ваш дом, системы мониторинга позволяют распознавать потенциальные проблемы с производительностью и обеспечивать максимальное производство электроэнергии.Существует две формы системы мониторинга: локальные мониторы, где система устанавливается вместе с панелями, и удаленные мониторы, где ваша система отслеживается через облако и может контролироваться онлайн.
Дополнительно: домашние аккумуляторы
Многие домовладельцы, интересующиеся солнечной батареей, хотят включить в систему некоторую форму хранения энергии, которая позволит их солнечным панелям обеспечивать электроэнергию в ночное время и в неблагоприятную погоду. В то время как многие штаты предлагают чистые измерения, которые позволяют домовладельцам использовать электросеть в качестве резервного хранилища для своей солнечной батареи, добавление батареи к вашей солнечной системе может иметь больше смысла или может быть вашим единственным вариантом хранения в некоторых случаях.Солнечные батареи плюс накопители, также называемые солнечными батареями, обычно предлагаются в виде свинцово-кислотных или литий-ионных технологий (например, Tesla Powerwall). Цена и эффективность являются решающими факторами между двумя вариантами: литий-ионный является фаворитом с точки зрения популярности, но, несомненно, дороже.
Сколько будет стоить ваша солнечная энергетическая технология и оборудование?
Хотя физическое оборудование солнечной установки вносит наибольший вклад в общую стоимость перехода на солнечную энергию, оборудование и технологии для солнечной энергии стоят не так дорого, как вы думаете.Материалы для вашей установки обычно составляют только 25 процентов от общей стоимости системы. Причина: другие мягкие затраты, которые включены в общую цену для подрядчиков, работающих в сфере солнечной энергетики, такие как рекламные бюджеты, сертификаты на обучение и часы работы.
В конечном итоге оборудование в вашей установке является основным фактором, над которым вы имеете прямой контроль, а это означает, что это ваша самая большая возможность повлиять на стоимость вашей солнечной установки (кроме сравнительных покупок на EnergySage Solar Marketplace, что может снизить ваши затраты). стоит от 5000 до 10000 долларов до льгот).Чтобы помочь вам оптимизировать процесс принятия решения об оборудовании, мы выделили три ситуации, когда принятие правильного решения об оборудовании может иметь жизненно важное значение.
Три случая, когда ваше решение о солнечном оборудовании действительно имеет значение
- Солнечные батареи в состояниях чистого измерения : Если вы живете в штате, который предлагает программу чистого измерения, и вы не пытаетесь полностью отключиться от сети с вашей солнечной системой, вероятно, нет смысла тратить лишние деньги на солнечную батарею.Чистый учет — это эффективный и оптимальный способ хранения энергии через электрическую сеть, а солнечные батареи по-прежнему являются довольно дорогой технологией в 2016 году. Кроме того, чистое измерение является основным стимулом для начала перехода на солнечную энергию, поскольку вы обычно имеете право на получение кредита по счетам за любые излишки энергии, производимые вашими солнечными панелями.
- Инверторы для больших крыш, выходящих на южную сторону. : Причина, по которой существуют различные варианты инверторов, заключается в сценарии, когда крыша домовладельца не выходит на южную сторону или не имеет достаточно места для ориентации солнечных панелей точно в одном направлении.Если вы не справляетесь с этим конфликтом и вместо этого имеете идеально наклонную крышу с большим количеством места, нет необходимости тратить больше на микроинверторы. Струнные инверторы идеально подходят для этих типов крыш, а оптимизаторы мощности — это доступное обновление, если вы его ищете.
- Крепление на крыше и на земле : Выбор системы крепления на земле увеличит стоимость вашей установки, особенно если вы выберете систему с монтажом на направляющих. Если у вас есть крыша, на которой нет проблем с воздействием солнечного света (и особенно если вы живете в особенно солнечном штате, таком как Калифорния, Аризона или Флорида), система на крыше с фиксированным креплением будет совершенно удовлетворительной.Наземные системы и монтаж на направляющих предназначены для очень специфического случая использования и могут быть ненужными дополнительными расходами, если у вас есть идеальная крыша для солнечной энергии.
Как найти подходящее солнечное оборудование и лучших местных установщиков
Выбор оборудования существенно повлияет на то, сколько вы будете платить из своего кармана за систему солнечных батарей. Они также повлияют на то, сколько вы можете сэкономить в течение всего срока службы вашей системы. Чтобы выяснить, сколько будет стоить ваша конкретная система, попробуйте наш солнечный калькулятор — этот инструмент использует ваше потребление электроэнергии и факторы в рыночных ценах в реальном времени, чтобы предложить мгновенную оценку солнечной энергии.После того, как вы вычислили реальную стоимость установки солнечной энергии, вы можете начать сравнивать расценки от предварительно отобранных установщиков в вашем районе и приступить к изложению предпочтений вашего оборудования.
Фотоэлектрическая система — Energy Education
Рис. 1. Фотоэлектрическая система, состоящая из массива солнечных панелей, инвертора и другого электрического оборудования. [1]Фотоэлектрическая (PV) система состоит из одной или нескольких солнечных панелей в сочетании с инвертором и другим электрическим и механическим оборудованием, которое использует энергию Солнца для выработки электроэнергии.Фотоэлектрические системы могут сильно различаться по размеру — от небольших крышных или переносных систем до крупных электростанций коммунального масштаба. Хотя фотоэлектрические системы могут работать сами по себе как автономные фотоэлектрические системы, в этой статье основное внимание уделяется системам, подключенным к коммунальной сети, или фотоэлектрическим системам, привязанным к сети.
Как работают эти системы?
Свет от Солнца, состоящий из пакетов энергии, называемых фотонами, падает на солнечную панель и создает электрический ток посредством процесса, называемого фотоэлектрическим эффектом.Каждая панель производит относительно небольшое количество энергии, но может быть связана вместе с другими панелями для производства большего количества энергии, как солнечная батарея . Электроэнергия, производимая солнечной панелью (или массивом), имеет форму постоянного тока (DC). Хотя многие электронные устройства используют электричество постоянного тока, в том числе ваш телефон или ноутбук, они предназначены для работы от электросети, которая обеспечивает (и требует) переменный ток (AC). Следовательно, чтобы солнечная электроэнергия была полезной, ее необходимо сначала преобразовать из постоянного тока в переменный с помощью инвертора .Это электричество переменного тока от инвертора можно затем использовать для питания электроники на месте или отправить в электрическую сеть для использования в другом месте.
Рис. 2. Схема солнечной фотоэлектрической системы в жилых домах. [2]Компоненты системы
Помимо солнечных панелей, есть другие важные компоненты фотоэлектрической системы, которые обычно называют «баланс системы» или BOS. [3] Эти компоненты (которые обычно составляют более половины стоимости системы и большую часть затрат на техническое обслуживание) могут включать инверторы, стеллажи, проводку, сумматоры, разъединители, автоматические выключатели и электросчетчики.
Солнечная панель
- основная статья
Солнечная панель состоит из множества солнечных элементов с полупроводниковыми свойствами, заключенных в материал, защищающий их от воздействия окружающей среды. Эти свойства позволяют клетке улавливать свет или, более конкретно, фотоны от солнца и преобразовывать их энергию в полезное электричество с помощью процесса, называемого фотоэлектрическим эффектом.По обе стороны от полупроводника находится слой проводящего материала, который «собирает» произведенное электричество. Освещенная сторона панели также содержит антибликовое покрытие, чтобы минимизировать потери из-за отражения. Большинство солнечных панелей, производимых во всем мире, изготовлены из кристаллического кремния, теоретический предел эффективности которого составляет 33% для преобразования солнечной энергии в электричество. Были разработаны многие другие полупроводниковые материалы и технологии солнечных элементов, которые работают с более высокой эффективностью, но требуют более высокой стоимости производства.
Инверторы
- основной артикул
Инвертор — это электрическое устройство, которое принимает электрический ток в форме постоянного тока (DC) и преобразует его в переменный ток (AC). Для солнечных энергетических систем это означает, что постоянный ток от солнечной батареи подается через инвертор, который преобразует его в переменный. Это преобразование необходимо для работы большинства электрических устройств или взаимодействия с электросетью. Инверторы важны почти для всех систем солнечной энергии и, как правило, являются самым дорогим компонентом после самих солнечных панелей.
Рис. 4. Солнечный инвертор (желтый), установленный на стеллаже для солнечных батарей, преобразует электричество постоянного тока от солнечной батареи в полезное электричество переменного тока. [5]Большинство инверторов имеют КПД преобразования 90% или выше и содержат важные функции безопасности, включая прерывание цепи при замыкании на землю и защиту от изолирования. Они отключают фотоэлектрическую систему при отключении электроэнергии в сети. [3]
Стеллажи
Стеллаж относится к монтажному устройству, которое крепит солнечную батарею к земле или крыше.Эти устройства, обычно изготовленные из стали или алюминия, механически фиксируют солнечные панели на месте с высокой точностью. Системы стеллажей должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать экстремальные погодные явления, такие как ураган или скорость ветра на уровне торнадо и / или большое скопление снега. Другой важной особенностью стеллажных систем является электрическое соединение и заземление солнечной батареи для предотвращения поражения электрическим током. Системы стеллажей на крыше обычно бывают двух видов, включая системы плоской крыши и системы скатной крыши.Для плоских крыш обычно стеллажная система включает утяжеленный балласт, чтобы удерживать массив на крыше под действием силы тяжести. На скатных крышах стеллажи должны быть механически прикреплены к конструкции крыши. Установленные на земле фотоэлектрические системы, как показано на рисунке 4, также могут использовать балластные или механические анкеры для крепления массива к земле. Некоторые наземные стеллажные системы также включают в себя системы слежения, которые используют двигатели и датчики для отслеживания Солнца по небу, увеличивая количество вырабатываемой энергии при более высоких затратах на оборудование и техническое обслуживание.
Прочие компоненты
Остальные компоненты типичной солнечной фотоэлектрической системы включают сумматоры, разъединители, прерыватели, счетчики и проводку. Солнечный сумматор , как следует из названия, объединяет два или более электрических кабеля в один больший. Сумматоры обычно включают предохранители для защиты и используются на всех средних и крупных солнечных батареях. Разъединители — электрические ворота или переключатели, которые позволяют отключать электрический провод вручную.Обычно используемые на обеих сторонах инвертора, а именно «разъединение постоянного тока» и «разъединение переменного тока», эти устройства обеспечивают гальваническую развязку, когда инвертор необходимо установить или заменить. Автоматические выключатели или выключатели защищают электрические системы от перегрузки по току или скачков напряжения. Предназначенные для автоматического срабатывания, когда ток достигает заданного значения, выключатели также могут управляться вручную, выступая в качестве дополнительного разъединителя. Счетчик Electric измеряет количество энергии, проходящей через него, и обычно используется электроэнергетическими компаниями для измерения и начисления платы потребителям.Для солнечных фотоэлектрических систем используется специальный двунаправленный электросчетчик для измерения как поступающей энергии от коммунального предприятия, так и исходящей энергии от солнечной фотоэлектрической системы. Наконец, проводка , или электрические кабели транспортируют электрическую энергию от каждого компонента и между ними, и их размер должен быть надлежащим, чтобы пропускать ток. Электропроводка, подвергающаяся воздействию солнечного света, должна иметь защиту от ультрафиолетового излучения, а для проводов постоянного тока иногда требуется металлическая оболочка для дополнительной защиты.
Для дальнейшего чтения
Список литературы
Что такое солнечная панель? Как работает солнечная панель?
Солнечная энергия начинается с солнца.Солнечные панели (также известные как «фотоэлектрические панели») используются для преобразования солнечного света, состоящего из частиц энергии, называемых «фотонами», в электричество, которое можно использовать для питания электрических нагрузок.
Панели солнечных батареймогут использоваться для самых разных целей, включая удаленные системы электропитания для кабин, телекоммуникационное оборудование, дистанционное зондирование и, конечно же, для производства электроэнергии в жилых и коммерческих солнечных электрических системах.
На этой странице мы обсудим историю, технологию и преимущества солнечных панелей.Мы узнаем, как работают солнечные панели, как они производятся, как они производят электричество и где вы можете купить солнечные панели.
Краткая история солнечных панелей
История развития солнечной энергетики насчитывает более 100 лет. Раньше солнечная энергия использовалась в основном для производства пара, который затем можно было использовать для привода механизмов. Но только после открытия Эдмондом Беккерелем «фотоэлектрического эффекта», который позволил преобразовать солнечную энергию в солнечную электрическую энергию.Затем открытие Беккереля привело к изобретению Чарльзом Фриттсом в 1893 году первого настоящего солнечного элемента, который был образован путем покрытия листов селена тонким слоем золота. И из этого скромного начала возникло устройство, которое мы знаем сегодня как солнечная панель .
Рассел Ол, американский изобретатель, работающий в Bell Laboratories, запатентовал первый в мире кремниевый солнечный элемент в 1941 году. Изобретение Ола привело к производству первой солнечной панели в 1954 году той же компанией.Солнечные панели нашли свое первое широкое применение в космических спутниках. Для большинства людей первая солнечная панель в их жизни, вероятно, была встроена в их новый калькулятор — примерно в 1970-х годах!
Сегодня солнечные панели и полные системы солнечных панелей используются для питания самых разных приложений. Да, солнечные панели в виде солнечных батарей все еще используются в калькуляторах. Однако они также используются для обеспечения солнечной энергией целых домов и коммерческих зданий, таких как штаб-квартира Google в Калифорнии.
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 питания 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.Результирующая энергия, генерируемая фотонами, ударяющими по поверхности солнечной панели, позволяет электронам сбиваться с их атомных орбит и превращаться в электрическое поле, создаваемое солнечными элементами, которые затем тянут эти свободные электроны в направленный ток. Весь этот процесс известен как фотоэлектрический эффект. В среднем доме имеется более чем достаточно площади на крыше для необходимого количества солнечных панелей для выработки солнечной энергии, достаточной для удовлетворения всех его потребностей в электроэнергии. Избыточная выработка электроэнергии поступает в основную энергосистему, окупаясь за счет использования электроэнергии в ночное время.
В хорошо сбалансированной конфигурации с подключением к сети солнечная батарея вырабатывает энергию в течение дня, которая затем используется в доме ночью. Программы чистых измерений позволяют владельцам солнечных генераторов получать деньги, если их система производит больше энергии, чем требуется в доме. В автономных солнечных приложениях необходимыми компонентами являются аккумуляторный блок, контроллер заряда и, в большинстве случаев, инвертор. Солнечная батарея отправляет электричество постоянного тока (DC) через контроллер заряда в аккумуляторную батарею.Затем энергия поступает из аккумуляторной батареи в инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный ток (AC), который может использоваться для устройств, не работающих на постоянном токе. С помощью инвертора размеры панелей солнечных батарей могут быть изменены в соответствии с самыми высокими требованиями к электрической нагрузке. Переменный ток можно использовать для питания нагрузок в домах или коммерческих зданиях, транспортных средствах для отдыха и лодках, удаленных каютах, коттеджах или домах, удаленном управлении движением, телекоммуникационном оборудовании, мониторинге потока нефти и газа, RTU, SCADA и многом другом.
Преимущества солнечных панелей
Использование солнечных панелей — очень практичный способ производства электроэнергии для многих приложений. Очевидное — это автономная жизнь. Проживание вне сети означает проживание в месте, которое не обслуживается основной электрической сетью. Отдаленные дома и коттеджи хорошо извлекают выгоду из систем солнечной энергии. Больше не нужно платить огромные сборы за установку опор электроснабжения и прокладку кабелей от ближайшей точки доступа к основной сети. Солнечная электрическая система потенциально дешевле и может обеспечивать электроэнергией более трех десятилетий при правильном обслуживании.
Помимо того факта, что солнечные панели позволяют жить вне сети, возможно, самое большое преимущество, которое вы получите от использования солнечной энергии, заключается в том, что это одновременно чистый и возобновляемый источник энергии. С наступлением глобального изменения климата стало более важным, чтобы мы делали все возможное, чтобы уменьшить давление на нашу атмосферу из-за выбросов парниковых газов. Солнечные панели не имеют движущихся частей и не требуют значительного обслуживания. Они прочны и служат десятилетиями при надлежащем уходе.
Последнее, но не менее важное, из преимуществ солнечных панелей и солнечной энергии заключается в том, что после того, как система окупила свои первоначальные затраты на установку, электричество, которое она вырабатывает в течение оставшегося срока службы системы, который может достигать 15%. 20 лет в зависимости от качества системы, абсолютно бесплатно! Для владельцев солнечных энергосистем, подключенных к сети, преимущества начинаются с того момента, когда система вводится в эксплуатацию, что потенциально устраняет ежемесячные счета за электроэнергию или, и это лучшая часть, фактически приносит владельцу системы дополнительный доход от электрической компании.Как? Если вы потребляете меньше энергии, чем производит ваша солнечная электрическая система, эту избыточную мощность можно продать, иногда с наценкой, вашей электроэнергетической компании!
Есть много других применений и преимуществ использования солнечных панелей для выработки электроэнергии — их слишком много, чтобы перечислять здесь. Но, просматривая наш веб-сайт, вы получите хорошее общее представление о том, насколько универсальной и удобной может быть солнечная энергия.
Сколько стоят солнечные панели?
Цены на солнечные панели существенно снизились за последние пару лет.Это здорово, потому что в сочетании с федеральным налоговым кредитом на инвестиции в солнечную энергетику в размере 30 долларов и другими применимыми льготами СЕЙЧАС — лучшее время для инвестиций в солнечную энергетическую систему. И учтите: солнечная энергетическая установка стоит примерно столько же, сколько автомобиль среднего размера!
Где я могу купить солнечные батареи?
Ну, прямо здесь, на этом сайте, конечно!
В число наших брендов солнечных панелей входят самые уважаемые производители солнечных панелей. Эти бренды включают, среди прочего, такие названия, как BP Solar, General Electric и Sharp.Мы предлагаем солнечные панели только высочайшего качества от производителей, зарекомендовавших себя в области производства солнечных панелей. Имея более чем 30-летний опыт работы в сфере солнечных панелей, вы можете быть уверены, что на MrSolar.com мы знаем о солнечных батареях!
Сохранить
Сохранить
Сбор энергии с помощью панелей солнечных батарей малой мощности
Поскольку глобальный спрос на энергию продолжает стимулировать рост цен на нефть, инженеры-проектировщики во всех сферах применения исследуют методы, позволяющие использовать «бесплатную» энергию.Фотоэлектрические солнечные элементы обеспечивают наиболее распространенную альтернативную энергию. Бесчисленные статьи и исследования были проведены по алгоритмам отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) для извлечения как можно большего количества энергии из солнечного источника. Однако эти методы слишком сложны, слишком дороги и, откровенно говоря, требуют слишком много энергии, чтобы быть полезными для солнечных батарей с низким энергопотреблением.
Рассмотрим приложение, для которого требуется шина питания 3,3 В, обеспечивающая среднюю мощность всего в несколько десятков микроватт с пиковой мощностью, достигающей десятков милливатт.Это может быть, например, удаленный беспроводной датчик, работающий с перерывами, дверной замок отеля, промышленное устройство управления и т. Д. Эта конструкция будет учитывать устройство сбора энергии (солнечная панель), устройство накопления энергии (аккумулятор), зарядное устройство для аккумулятора. и преобразователь напряжения.
Рис. 1. Зарядное устройство для аккумуляторов энергии
Многие производители производят фотоэлектрические устройства малой мощности, включая G24i (www.g24i.com), IXYS (www.ixys.com) и серию Amorton от Panasonic (www.anasonic.net/energy/amorton/en/). У меня есть некоторый опыт работы с продуктами G24i, поэтому я сосредоточусь на их чувствительных к красителям фотоэлектрических модулях. Indy4050 предназначен для использования внутри помещений. Его 3050 мм 2 обеспечивают около 90 мВт при 200 люкс и 465 мВт при 1000 люкс. Помните, что типичное офисное освещение составляет от 320 до 500 люкс. Для приложений с низким энергопотреблением другой важной характеристикой является выходное напряжение, при котором достигается максимальная мощность (VMP). Для Indy4050 VMP составляет 1,8 В при 200 люкс и 2.0 В при 1000 люкс. Если два модуля соединены последовательно, это максимальное напряжение питания очень хорошо согласуется с одноэлементным литий-ионным аккумулятором.
Маленькие (как по физическому размеру, так и по емкости) литий-полимерные батареи можно найти во многих источниках. Я купил батареи на сайтах www.batteryspace.com, www.gmbattery.com и www.powerstream.com, но есть и другие. Рассмотрим аккумулятор PGEB016144 3,7 В / 200 мАч от PowerStream. Емкость 740 мВт / ч может обеспечивать мощность нагрузки в сотни микроватт в течение тысяч часов, что дает солнечной панели много возможностей для подзарядки батареи.Это всего лишь 1 мм × 44 мм × 61 мм. Кроме того, максимальное напряжение питания от 3,6 до 4,0 В двух последовательно соединенных солнечных модулей G24i точно совпадает с напряжением зарядки, необходимым для аккумулятора.
Это может показаться отличным решением как есть, но остаются некоторые критические проблемы с управлением питанием. Напряжение холостого хода двух модулей составляет около 5 В при 1000 люкс — напряжения более чем достаточно, чтобы повредить аккумулятор. Кроме того, переменное напряжение батареи необходимо довести до 3,3 В.Учитывая низкую мощность, доступную от солнечной панели, и объем накопленной энергии, обеспечиваемый батареей, критически важно, чтобы оставшиеся функции управления питанием требовали как можно меньшего тока покоя.
Система шунтирующего зарядного устройства LTC4070 от компанииLinear Technology и высокоэффективный понижающий стабилизатор наномощности LTC3388 превосходно удовлетворяют этим требованиям. См. Рисунок 2 для окончательной схемы приложения. При напряжении батареи 3,7 В и отсутствии нагрузки на источник питания 3,3 В совокупный ток покоя LTC4070 и LTC3388 составляет всего 1.2 мкА! Практически каждый электрон, генерируемый фотоэлектрическими элементами, попадает в аккумулятор для хранения.
Рис. 2. Система сбора энергии LTC4070 и LTC3388
Я запускал эту конфигурацию без LTC3388 чуть более двух дней в ужасных условиях, чтобы проверить производительность. Вместо LTC3388 я просто загрузил батарею напрямую с нагрузкой 4 кОм (чуть меньше 1 мА — около 4 мВт) и оставил установку снаружи. Дождь шел почти непрерывно все 52 часа теста — несколько перерывов под дождем, но ни разу не было солнца.Даже в этих неблагоприятных условиях было ясно, что аккумулятор заряжается. Я уверен, что если приложить больше экспериментов и оптимизировать, это приложение с постоянной нагрузкой ~ 4 мВт может работать с меньшим солнечным модулем и меньшей емкостью батареи. Вот данные (здесь нет причудливой автоматизированной системы сбора данных, я просто подошел к установке и измерил несколько точек во время эксперимента):
Рисунок 3. Зарядка аккумулятора
Вы спросите, почему я провел этот эксперимент всего 52 часа? Что ж, я стал жертвой кражи в особо крупных размерах (ладно, может быть, это не соответствует юридическому определению термина «большое», но в моем понимании это было грандиозно).Я решил оставить свою установку снаружи на выходные незащищенной и на виду. К утру понедельника он бесследно исчез. Подводя итог, можно сказать, что маломощные фотоэлектрические продукты действительно могут использоваться с чрезвычайно высокой эффективностью (после того, как снизился КПД от солнечной энергии к электрическому — я ничего не могу с этим поделать). Ключевым моментом является использование как можно меньшего количества ИС и обеспечение того, чтобы эти ИС выполняли свою работу с минимальным количеством электронов. Другой ключ — совместить солнечную панель с элементом хранения энергии.Необычные алгоритмы MPPT не нужны, если элемент накопления энергии заставляет солнечную панель всегда работать при максимальном или близком к нему напряжении.
Солнечный элемент — обзор
1.2.6.3 Микробные солнечные элементы
MSC — это группа новых биотехнологических систем, которые объединяют микробное электричество или производство химических соединений и фотосинтетический процесс за счет синергетических отношений между EAB и фотосинтетическим организмом [61]. Многие исследователи сообщили о различных связанных системах с разными названиями.Несмотря на различия в конструкции системы, основной принцип остается неизменным. МСК включают четыре основных этапа, а именно: (1) фотосинтез органического вещества, (2) перенос органического вещества в анодный отсек, (3) EAB окисляет органическое вещество и (4) восстановление кислорода или другого акцептора электронов на катоде. . МСК можно далее разделить на три основные группы на основе фотосинтетического организма — фототропные МСК, МСК растений и МСК водорослей [62]. В 2009 году Малик и др. продемонстрировали, что фотоэлектрохимический солнечный элемент может использовать морские отложения и морскую воду для выработки электричества из солнечного света.Солнечный элемент демонстрирует циркадный ритм, соответствующий фотосинтетической природе. Процесс можно разделить на две части: микробный фотосинтез и MFC. Микробный фотосинтез производит глюкозу и кислород, которые потребляются MFC и производят углекислый газ и воду. Этот углекислый газ и вода в дальнейшем использовались системой микробного фотосинтеза [63].
Самым популярным MSC является посаженный MSC, в котором есть живое растение, доставляющее органические вещества своими корнями в EAB в MFC.Корень растения выделяет ризодепозиты (органические соединения, такие как сахара, органические кислоты, полимерные углеводы и другие, выделяемые корнями растений в почву) на аноде MFC. В корневых отложениях карбоновые кислоты, аминокислоты и углеводы легко разлагаются микробами. Следовательно, эти соединения в основном ответственны за донорство электронов. Басилио-Хименес и др. протестировали состав карбоновых кислот, аминокислот и углеводов в экссудатах рисовых корней и обнаружили, что глюкоза составляет приблизительно 90% (моль / моль от всей композиции).Помимо корневых отложений, почва является еще одним источником доноров электронов. Неорганические материалы в почве могут производить электроны в результате химических процессов и анаэробного разложения. Реакции, которые генерируют электроны: (1) микробное окисление серы до сульфата, (2) окисление аммиака до нитрата или нитрита аммиакокисляющими бактериями, (3) превращение карбоната в органический углерод и (4) химическое окисление микробов. производили восстановители, такие как соединения серы, железо (II) и гуминовые кислоты [64].
Первое теоретическое исследование MSC оценило чистую выработку электроэнергии в 67 мВт / м 2 , что было очень похоже на обычный MFC. Среди всех исследованных МСК Spartinaanglica продемонстрировали самую высокую долговременную плотность мощности и ток. Средняя удельная мощность системы составила 50 мВт / м 2 при времени работы 33 дня. Наиболее распространенные бактерии в микробном сообществе анода в растении MSC относятся к роду Geobacteraceae или Desulfobulbus или были тесно связаны с Beijerinckiaceae, Natronocella, Rhodobater, или Rhizobiales sp.
Фототрофный MSC преобразует солнечную энергию в электричество путем выращивания фототрофной биопленки на аноде топливного элемента. Фототрофные МСК имеют самоорганизующуюся биопленку, которая содержит Cyanophyta и / или Chlorophyta. Топливный элемент может работать более 20 дней. Во всех исследованиях до настоящего времени использовалась смешанная культура, за исключением одного исследования, в котором использовалась чистая культура. Чистую культуру Synechocystis PCC-6803 использовали в МСК текущего поколения. Эти цианобактерии могут образовывать электропроводящие нанопроволоки в присутствии диоксида углерода и избытка света.Таким образом, организм может нести ответственность за перенос электронов от микробов к аноду. Теоретическое исследование оценило максимальную выходную мощность 61 мВт / м 2 , что соответствует тому же порядку, что и установка MSC. Максимальная экспериментальная плотность мощности для фототрофного MSC составила 7 мВт / м 2 , что составляет 11% от максимальной плотности мощности, оцененной для системы [65]. MSC водорослей состоит из фотобиореактора, который собирает солнечную энергию через водоросли, анаэробного варочного котла и MFC. Варочный котел предварительно обрабатывает фотосинтетические метаболиты и микробы перед их доставкой в МФЦ.Для 15% фотосинтетической эффективности и 29% регенерации энергии MFC, общая плотность мощности 2806 мВт / м 2 теоретически оценена в условиях окружающей среды Западной Европы. Самый эффективный MSC смог достичь 0,5% (14 мВт / м 2 ) от теоретической оценки. Следовательно, система нуждается в дальнейших исследованиях для повышения эффективности [66].
Микробные ячейки для улавливания углерода (MCC) представляют собой различные типы PMFC, в которых микроводоросли могут использоваться в катоде обычного двухкамерного MFC для связывания атмосферного CO 2 и обеспечения кислородом катода посредством биофотолиза.Wang et al. продемонстрировать МКЦ, где отходящий газ CO 2 из анодной камеры повторно растворяется в католите, где фотосинтетическая водоросль ( Chlorella Vulgaris ) культивировалась в присутствии света и CO 2 .