Принцип работы и устройство солнечных батарей

Разновидности солнечных батарей

Все солнечные панели могут быть кремниевыми или пленочными. Панели, основой для которых служит кремний, разделяются на типы:

поликристаллические;
монокристаллические;
аморфные.

Поликристаллическая солнечна батарея представляет собой квадратное устройство темно-синего цвета. Ее поверхность имеет вкрапления неоднородных кристаллов кремния. Несмотря на низкий КПД 18%, данное устройство обладает возможностью вырабатывать ток во время пасмурной погоды, что делает их незаменимыми в местностях, где преобладает рассеянный солнечный свет.

Монокристаллические преобразователи солнечной энергии представлены черными панелями со скошенными углами, для которых используется чистый кремний. Все ячейки устройства направлены в одну сторону, что позволяет получить максимальный КПД 25%. Недостатком таких батарей является то, что их лицевая сторона всегда должна быть обращена к солнцу. Если оно не успело взойти, спряталось за тучами и опустилось за горизонт, солнечные панели будут производить ток слабой мощности. Это самый дорогостоящий, но и обеспечивающий максимальную производительность, тип устройства.

Гибкая солнечная панель удобна в работе — ее легко можно прикрепить на неровные участки крыши

Каждая аморфная батарея состоит из множества тончайших слоев кремния, которые получаются путем напыления мельчайших частиц материала на стекло, пластмассу или фольгу. Такие слои достаточно быстро выгорают, что уже через полгода приводит к падению эффективности работы устройства на 15-20%. КПД таких преобразователей составляет всего 6%. Они являются самыми дешевыми и способны работать даже в пасмурную погоду. Однако максимальный срок их службы составляет 2 года.

В основе пленочных батарей лежит не твердая подложка из металла или стекла, а полимерная пленка. Поэтому они выпускаются в рулонах, что позволяет расстелить батареи на больших площадях. Благодаря своей конструкции, их можно разрезать на различные по форме и размеру части, разместить солнечные батареи на крышу дома с плавными изгибами. Они компактные и легкие. Рулонная панель обойдется значительно дешевле, чем кремниевая, для изготовления которой используется дорогостоящий материал. Однако такие модели менее мощные. Приобрести их сегодня достаточно непросто, поскольку производство только развивается.

Все солнечные батареи, независимо от типа устройства, оснащаются контроллерами, которые следят за степенью заряда панели. Они перераспределяют полученную энергию, направляя ее к источнику потребления напрямую или сохраняя в аккумуляторе.

Устанавливать стационарные солнечные панели стоит только с солнечной стороны дома

Гибкие солнечные батареи

Очень удобными являются гибкие панели, которые легко сворачиваются в рулон, словно обычная бумага. Хотя стоимость их выше, чем твердотельных аналогов, они на рынке заняли свою нишу. В основном они пользуются спросом у туристов и путешественников, которым в условиях отсутствия электрификации необходимо заряжать мобильные гаджеты. Главным производителем гибких батарей, работающих от солнечной энергии, является компания Sun Charger, которая, к слову, недавно обновила свой модельный ряд моделями 34 Вт и 9Вт.

T_3Fq3YnxMk

Первая модель подходит для питания планшетов, сотовых телефонов, видеокамер, цифровых фотоаппаратов, GPS, гелевых аккумуляторов 6 и 12 вольт, т.е. она может в условиях похода обеспечить потребности нескольких человек.

SunCharger SC-9/14 — батарея в сложенном виде

Она же — в раскрытом виде

Особенности батареи: компактная складывающая конструкция, работающая в диапазоне температур от -50 до +70 градусов, вес которой всего 420 граммов, снабжена антибликовым покрытием, встроенным светодиодом, люверсами для крепления. Выходной разъем круглый (5.5 мм / 2.1 мм.).

Характеристики электрические: рабочее выходное напряжение 13,5 В (стандартное 12В), без нагрузки – 19В; рабочий выходной ток – 0,65 А; габариты в сложенном и развернутом виде — 20.5х15х3 см и 50х41.5х0.4 см; мощность выходная – 8,6 Вт.

Выходной разъём SunCharger SC-9/14

Вторая модель SunCharger SC-34/18 на сегодняшний день является в линейке гибких солнечных батарей самой мощной. Разработана она специально для универсальных накопителей (ноутбуков), имеющих на входе зарядки, как правило, 17-19 вольт. Максимальная мощность – 18В. К накопителям она подключается напрямую, что обеспечивает идеальное согласование. Понятно, что для менее «прожорливых» накопителей она также подходит, в том числе для двенадцати вольтовых свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях.

Солнечная батарея выдает 18 В в точке своей максимальной мощности и напрямую подключается к этим накопителям. Таким образом, она «идеально» с ними согласована.

Естественно, эта батарея подходит и для зарядки менее прожорливых потребителей. Как известно, мощности мало не бывает. А также спокойно заряжает 12 В свинцовые аккумуляторы, в том числе, и автомобильные (через несколько часов зарядки уже можно завести машину). Толщина ее 4 см (т.е. стала чуть больше), но получилась батарея даже немного компактнее, чем обычные батареи на 12 В.

Солнечная гибкая батарея (модель SunCharger SC-34/18)

Достигнуто это за счет более тонкой ткани, используемой в ее производстве и ламинированных фотоэлементов большей площади.

Эта же батарея в раскрытом виде

Помимо особенностей, характерных для предыдущей модели, здесь имеются на выходе помимо круглого разъема, еще «мама» и «папа».

Электрические характеристики: мощность выходная, как понятно из маркировки, 34 Вт; рабочий выходной ток – 1.9 А; габариты 40х18х4 см (в сложенном виде) и 40х18х4 см (в раскрытом). Напряжение на выходе – 18 В и 26 В (без нагрузки). Вес, конечно, намного больше – 1,7 кг.

Принцип работы солнечной батареи

В результате перетечки зарядов на границе p- и n- слоев, в n-слое образуется зона нескомпенсированного положительного заряда, а в p-слое – отрицательного заряда, т.е. известный всем из школьного курса физики p-n-переход. Разность потенциалов, возникающая на переходе контактная разность потенциалов (потенциальный барьер) препятствует прохождению электронов с p-слоя, но беспрепятственно пропускает неосновные носители в направлении противоположном, что позволяет получить фото-ЭДС при попадании на ФЭП солнечного света.

При облучении солнечным светом, поглощенные фотоны начинают генерировать неравновесные электронно-дырочные пары. Генерируемые же вблизи перехода электроны, из p-слоя переходят в n-область.

Аналогичным образом попадают в p-слой избыточные дырки и слоя n (рисунок а). Получается, что в p-слое накапливается положительный заряд, а в n- слое – отрицательный, вызывая напряжение во внешней цепи (рисунок б). У источника тока есть два полюса: положительный — p-слой и отрицательный — n-слой.

Это основной принцип работы солнечный элементов. Электроны, таким образом, будто бегают по кругу, т.е. выходят из p-слоя и возвращаются в n-слой, проходя нагрузку (аккумулятор).

Фотоэлектрический отток в однопереходном элементе обеспечивают лишь те электроны, которые обладают энергией выше, чем ширина некой запрещенной зоны. Те же, которые обладают меньшей энергией, в этом процессе не участвуют. Это ограничение снять позволяют структуры многослойные, состоящие из более чем один СЭ, у которых ширина запрещенной зоны различная. Их называют каскадными, многопереходными или тандемными. Фотоэлектрическое преобразование у них выше за счет того, что работают такие СЭ с более широким солнечным спектром. В них фотоэлементы располагаются по мере уменьшения ширины запрещенной зоны. Солнечные лучи вначале попадают на фотоэлемент с самой широкой зоной, при этом происходит поглощение фотонов с наибольшей энергией.

Затем, фотоны, пропущенные верхним слоем, попадают на следующий элемент и т.д. В области каскадных элементов основным направлением исследования является использование в качестве одного компонента или нескольких арсенида галлия. У таких элементов эффективность преобразования составляет 35%. Элементы соединяют в батарею, поскольку изготовить отдельный элемент большого размера (следовательно, и мощности) не позволяют технические возможности.

Солнечные элементы способны работать длительное время. Они себя зарекомендовали как стабильный и надежный источник энергии, пройдя испытания в космосе, где главной опасностью для них является метеорная пыль и радиация, которые приводят к эрозии кремниевых элементов. Но, поскольку, на Земле эти факторы не оказывают на них столь негативного действия, можно предположить, что срок службы элементов будет еще более продолжительным.

Солнечные батареи уже находятся на службе человека, являясь источником питания для различных устройств, начиная от мобильных телефонов и заканчивая электромобилями.

И это уже вторая попытка человека обуздать безграничную солнечную энергию, заставив работать ее себе во благо. Первой попыткой было создание солнечных коллекторов, электричество в которых вырабатывалось за счет нагрева сконцентрированными лучами солнца воды до температуры кипения.

Термальная солнечная электростанция в Испании (город Севилья)

Преимущество солнечных батарей в том, что они непосредственно производят электричество, теряя энергии намного меньше, чем солнечные многоступенчатые коллекторы, в которых процесс ее получения связан с концентраций лучей Солнца, нагревом воды, выделением пара, вращающего паровую турбину и только после этого выработке генератором электричества. Основные параметры солнечных батарей – в первую очередь, мощность

Затем важно, каким запасом энергии они обладают

Зависит этот параметр от емкости аккумуляторов и их числа. Третьим параметром является пиковая мощность потребления, означающая количество одновременно возможных подключений приборов. Еще одним важным параметров является номинальное напряжение, от которого зависит выбор дополнительного оборудования: инвертора, солнечной панели, контроллера, аккумулятора.

Солнечные батареи для частного дома: характеристики

Для частного дома, оптимальным вариантом будут солнечные батареи выполненные на основе кремния. Конечно, есть и другие виды, изготовленные из редких дорогих материалов с более хорошими характеристиками. Но они практически не используются в бытовой сфере, из-за высокой стоимостью и длительным сроком окупаемости. Поэтому их затрагивать мы сегодня не будем.

Монокристаллические солнечные батареи

Монокристаллические солнечные батареи отличаются тёмно-синим цветом внешней поверхности. Этот оттенок достигнут за счёт использования в основе высококачественного и чистого кремния.

Монокристаллические солнечные батареи для частного дома, обладают рядом положительных характеристик:

В первую очередь это высокий КПД с показателем 20-25%.
Во вторых, панели имеют не большие размеры с относительно высокой мощностью. Если сравнивать с поликристаллическими солнечными батареями.
Заявленный срок службы таких изделий не меньше 30 лет, при соблюдении правил эксплуатации.

Недостатков здесь не так и много, но их стоит упомянуть:

В первую очередь, это высокая стоимость монокристаллических солнечных батарей и соответственно длительный период окупаемости.
Повышенная чувствительность к пыли. Загрязнённая поверхность не принимает, а рассеивает свет по сторонам, соответственно показатель КПД существенно снижается.

Завышенная стоимость монокристаллических солнечных батарей, объясняется уникальным расположением элементов кремния. Кристаллы расположены под определённым углом и соответственно могут принимать солнечные лучи только перпендикулярного направления относительно поверхности батареи. Поэтому монокристаллические батареи поставляются с дополнительным оборудованием, которое автоматически регулирует угол наклона панелей в течение дня.

Из-за сложной конструкции и необходимости в постоянно прямом солнечном свете, монокристаллические батареи устанавливаются на открытой или высокой местности.

Поликристаллические солнечные батареи

Поликристаллические солнечные батареи отличаются неравномерным синим оттенком из-за использования кремния среднего качества. В данном случае кристаллы располагаются под разным углом, соответственно КПД поликристаллических солнечных батарей ниже чем у монокристаллических.

Так же стоит отметить преимущества поликристаллических солнечных батарей:

В первую очередь это высокий КПД при рассеянных солнечных лучах.
Возможность монтажа на любую плоскую поверхность без дополнительного поворотного механизма.
Относительно не высокая стоимость, по сравнению с предыдущим вариантом.
Довольно продолжительный период эксплуатации, не меньше 15 лет.

Давайте вместе рассмотрим недостатки поликристаллических солнечных батарей для частного дома:

Не высокий уровень КПД, максимум 15%.
Довольно объёмные и тяжёлые панели с довольно не высокой мощностью.

Если проанализировать российский рынок, то поликристаллические солнечные батареи завоевали большую популярность. Скорей всего это обусловлено простотой конструкции и не высокой стоимостью.

Аморфные солнечные батареи

Аморфные солнечные батареи отличаются от предыдущих моделей как по составу так и методу изготовления. В данном варианте кремнии наносится на поверхность панелей тонким сплошным слоем и покрывается защитной плёнкой. Такой способ изготовления мало затратный и соответственно уровень эффективности довольно низкий. Уровень КПД у данных моделей не превышает 10%.

Единственное преимущество аморфных солнечных батарей, в том что они изготавливаются и на гибком основании тоже. Что позволяет их устанавливать на кровлю сложной формы. Но такие варианты на сегодня стоят довольно дорого при не высокой мощности.

Исторический контекст

В течение XIX века вместе со множеством исследований в области электричества развивалась и фотохимия. В 1839 году Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект, показав, что свет может напрямую превращаться в электричество. Разумеется, эффективность такого преобразования зависит от улавливающего материала. Первый рабочий образец солнечной батареи был создан в 1883 году американским инженером Чарльзом Фриттсом, изготовившим из селена первую миниатюрную солнечную панель. При этом он опирался на случайное открытие другого американского ученого, Уиллоби Смита, в 1873 году участвовавшего в прокладке трансатлантического телеграфного кабеля и обнаружившего, что электропроводность селеновых стержней возрастает, если на них падает свет. КПД селеновой батареи Фриттса составлял 1%.

Тем не менее, такие устройства оставались лабораторными изысками вплоть до 1912 года, когда ими занялся итальянский химик армянского происхождения Джакомо Луиджи Чамичан. Тогда, выступая на 8-м Международном химическом конгрессе, он заявил:

«На засушливых землях будут возникать промышленные колонии без дымящихся труб; леса стеклянных трубок будут распространяться на равнинах, и стеклянные здания будут расти везде; внутри них будут проходить фотохимические процессы, которые до настоящего времени были неведомой тайной растений, но всё это будет освоено человеческой цивилизацией, которая будет знать, как получить ещё более обильные плоды… И если в недалёком будущем запасы угля будут полностью исчерпаны, цивилизация не пропадёт, а будет существовать до тех пор, пока светит солнце!»

Таким образом, еще до первой мировой войны осознавалась важность солнца в качестве источника энергии, но широкое использование солнечных батарей оставалось невозможным до решения, как минимум, двух фундаментальных проблем:

Повышения фотохимической эффективности фотоэлемента.
Коррекции отражательных показателей батареи, так, чтобы она поглощала достаточное количество света, но при этом не перегревалась.

Кратко остановлюсь на том, из чего состоит современная солнечная батарея.

Солнечная батарея является многослойной конструкцией, состоящей (сверху вниз) из следующих элементов:
1) Рама
2) Закаленное стекло
3) Шинопроводы (электропроводящие полоски)
4) Фотоэлемент на основе кремния. Как правило, изготавливается из кварца
5) Алюминиевая подложка
6) Распределительная коробка

Итак, в 1948 году инженеры «Bell Laboratories» Кельвин Соулзер Фуллер, Дэрил Чейпин и Джеральд Пирсон продемонстрировали первую коммерчески выгодную модель солнечной батареи с КПД 6%. Уже в 1958 году солнечными батареями были оснащены первые космические аппараты – американский «Авангард-1» и советский «Спутник-3». К началу XXI века (в 2007 году) компания General Electric добилась от солнечных батарей КПД 16% и более, но фундаментальные проблемы до сих пор не позволяют этим устройствам полноценно заменить ТЭЦ и прочие генераторы электричества, работающие на ископаемом топливе. В жарких засушливых областях, которые мечтал застелить солнечными батареями Чамичан, просто живет не так много людей и не развернуто серьезной промышленности, которую можно было бы питать солнечной энергией. А в густонаселенных областях умеренного пояса не хватает свободных площадей под солнечные батареи. Кроме того, чтобы сравниться с растениями в эффективности сбора солнечной энергии, необходимо реализовать искусственный фотосинтез или его аналог, возможно – приблизить фотоэлементы по свойствам к искусственным хлоропластам, которые улавливали бы свет в максимально широком спектре.

Аморфные кремниевые панели

Изделия аморфного типа, изготовленные из кремния, получают широкое распространение. В каждой панели есть пластины из стека, пластика или же фольги, на которые нанесен слой кремния, который создаются с помощью технологии напыления частиц в вакуумной среде.

Коэффициент полезного действия намного ниже, чем у остальных типов, т. к. он составляет всего лишь 6 процентов. К тому же кремниевые слои способны выгорать на солнце и уже через шесть месяцев эксплуатации терять эффективность. В конечном итоге она падает на 15, а иногда и на 20 процентов. Срок службы подобных приборов ограничивается двумя годами.

У подобных батарей есть определенные плюсы, которые делают их очень популярными:

Системы способны работать даже в пасмурную погоду.
Их стоимость на фоне модернизированных изделий более привлекательна.

В последнее время популярность стремительно набирают гибридные фотопреобразователи. В их основе — микрокристаллы, которые размещены на аморфном кремнии. По принципу действия эти панели сходны с поликристаллическими, отличаясь лишь более высокими мощностями вырабатываемого тока при воздействии рассеянного солнечного света, например, в пасмурную погоду или на рассвете.

К тому же их можно использовать не только под прямым ультрафиолетовым излучением, но и в инфракрасном диапазоне.

Как добиться максимальной эффективности

При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час. В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы

Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %

В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.

Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.

Каждый день солнце светит в среднем по 9 часов, если брать среднегодовой показатель. За один день квадратный метр поверхности преобразователя способен выработать 1 киловатт электроэнергии. Если за сутки жильцами дома израсходуется приблизительно 20 киловатт электроэнергии, то минимальная площадь солнечных панелей должна составлять приблизительно 40 квадратных метров.

Однако, такой показатель потребления электроэнергии на практике встречается редко. Как правило, жильцы израсходуют до 10 кВТ в сутки.

Если говорить о том, работают ли солнечные батареи зимой, то стоит помнить, что в данную пору года сильно снижается длительность светового дня, но, если обеспечить систему мощными аккумуляторами, то получаемой за день энергии должно быть достаточно с учетом наличия резервного аккумулятора.

При подборе солнечной батареи очень важно обращать внимание на емкость аккумуляторов. Если нужны солнечные батареи работающие ночью, то емкость резервного аккумулятора играет ключевую роль. Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке

Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке

Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке.

Несмотря на тот факт, что стоимость установки солнечных батарей может превысить 1 миллион рублей, затраты окупятся уже в течении нескольких лет, поскольку энергия солнца абсолютно бесплатна.