Устройство солнечной батареи. Теория

Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs). Ниже будут даны краткие описания каждой из них.

Солнечные батареи основе кремния

Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний. В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями. Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе. Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами Si.

Различают два основных типа кремниевых СБ – на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического. В первом случае используется высококачественный (и, соответственно, более дорогой) кремний выращенный по методу Чохральского, который является стандартным методом для получения кремниевых пластин-заготовок для производства микропроцессоров и микросхем. Эффективность СБ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%. Не так давно, фирма Panasonic заявила о начале промышленного выпуска СБ с эффективностью 24,5% (что вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению ~30%).

Во втором случае для производства СБ используется более дешевый кремний произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле (block-cast), специально разработанного для производства СБ. Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов (типичные размеры 1-10мм) разделенных границами зерен. Подобные неидеальности кристаллической структуры (дефекты) приводят к снижению эффективности – типичные значения эффективности СБ из mc-Si составляют 14-18%. Снижение эффективности данных СБ компенсируется их меньшей ценой, так что цена за один ватт произведенной электроэнергии оказывается примерно одинаковой для солнечных панелей как на основе c-Siтак и mc-Si.

Тонкопленочные солнечные панели

Возникает вопрос – зачем разрабатывать другие типы модулей, если солнечные панели на основе моно- и мультикристаллического кремния уже созданы и показывают неплохие результаты? Очевидный ответ — чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными c-Si и mc-Siсолнечными батареями.

Дело в том, что обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, перечисленными выше, обладают и рядом недостатков. Кемний из-за своих особых электрофизических свойств (непрямозонный полупроводник) обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн. Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.

В то же время, прямозонные полупроводники на вроде GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2, и даже некоторые модифицированные формы Si, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон. Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника. Еще одной положительной чертой СБ на основе вышеназванных полупроводников – в отличие от СБ на основе c-Si и mc-Si– является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).

Исследования СБ на основе теллурида кадмия (CdTe) начались еще в 1970х годах ввиду их потенциального использования в качестве перспективных для космических аппаратов. А первое широкое применение «на земле» подобные СБ нашли в качестве элементов питания карманных микрокалькуляторов.

Данные элементы представляют собой гетероструктуру из тонких слоев p-CdTe / n-CdS (суммарная толщина 2-8 мкм) напыленных на стеклянную подложку (основу). Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Основным (и фактически единственным) производителем СБ на основе теллурида кадмия является американская фирма FirstSolar, которая занимает 4-5% всего рынка.

К сожалению, есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe. Кадмий – это экологически вредный тяжелый метал, который требует особых методов обращения и ставит сложный вопросутилизации старых изделий. В виду этого, законодательство многих стран ограничивает свободную продажу гражданам СБ этого типа (строятся только масштабных солнечных электростанций под гарантии утилизации от фирмы производителя). Второй элемент – теллур, довольно редко встречается в земной коре. Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу – довольно призрачны.

Солнечные батареи на основе соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2 (иногда обозначаются как CIGS) являются новичками на рынке солнечной энергетики. Несмотря на то, что начало исследований элементов этого типа было положено еще в середине 70х, в настоящее время коммерческий выпуск в боле-менее солидных масштабах ведет всего лишь фирма SolarFrontierKKиз Японии. Отчасти это связано с технически сложным и дорогим процессом изготовления, хотя в некоторых (удачных!) случаях их эффективность может достигать 20%.

Несмотря на отсутствие экологически вредных элементов в составе этого соединения, значительному расширению производства данных солнечных модулей в будущем угрожает дефицит индия. Ведутся исследования с целью заменить дорогой In на более дешевые элементы и может быть скоро появятся новые изделия на основе соединения Cu2ZnSn(S,Se)4.

Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния a-Si:H. Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены также и на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:

— увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;

— использовать аморфный кремний (a-Si), обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний (с-Si).

По первому пути пошла австралийская фирма CSGSolarLtd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм. По второму – швейцарская OerlikonSolar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния a-Si / с-Si эффективность которых также составляет 11-13%. Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных — наоборот). Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.

Концентраторные солнечные модули

Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев:  Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP. Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника. К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.  

Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат. Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 см2 и сфокусировав его на 1 см2 солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 см2 без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади! Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе, которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы.

В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.  

Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем

Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.

 

Трушин М.В. Ph.D

 

 

 

 

Солнечные батареи: устройство, виды и эффективность

Сравнительно недавно появилась новая отрасль энергетики – гелиоэнергетика, занимающаяся преобразованием солнечного света в электрическую или тепловую энергию.

Содержание статьи

О солнечной энергии

Солнечные батареи, или солнечные панели превращают световую энергию солнца в электрическую. Используются они обычно в составе солнечных или ветросолнечных систем.

В настоящее время есть два способа вырабатывать электроэнергию из солнечных лучей. Первый заключается в получении электрической энергии с помощью фотоэлементов. При втором способе нагревается теплоноситель в трубах гелиоэлектростанций. Из солнечного излучения также можно добывать тепло, используя солнечные вакуумные панели.

Энергия, добытая этими способами, будет в 5-10 раз дешевле, чем при использовании традиционных источников, а вот цена самих преобразователей пока высока. Правильный выбор гелиосистем для каждого конкретного случая, позволит наиболее эффективно использовать энергию Солнца.

Виды солнечных батарей для выработки электроэнергии

На данный момент существуют кремниевые и пленочные солнечные батареи. Кремниевые по способу производства делятся также на два подвида: монокристаллические и поликристаллические.

Монокристаллические получают распилом целой пластины кремния на элементы толщиной 300 мкм. Для получения поликристаллических пластин используется медленно охлаждаемый расплавленный кремний. Первая технология дороже, но КПД готового изделия выше – 20 % против 18 %.

Менее дорогими являются пленочные солнечные батареи. Изготавливаются они на основе различных соединений кадмия – материала не самого безопасного по своему токсическому воздействию на живые организмы. КПД таких пластин всего 10 %, но и стоимость значительно ниже, чем у кремниевых.

Самым дешевым в производстве является еще один вид пленочных солнечных батарей – полимерные панели, которые изготавливают на основе соединений меди, их КПД, к сожалению, не превышает 5-6 %.

Эффективность солнечных батарей

Количество электроэнергии, которую может выработать солнечная батарея, зависит от площади её поверхности. Важным условием является то, под каким углом солнечные лучи попадают на поверхность устройства. Этот угол должен приближаться к значению в 90 градусов. Для отслеживания положения Солнца существуют механические устройства. Они обеспечивают коррекцию направления батарей в дневное время в зависимости от положения солнца над горизонтом.

Выбор оборудования и места размещения панелей

Также производительность выработки электроэнергии прямо пропорциональна интенсивности падающего солнечного света, которая зависит от географического расположения местности. Например, зимой за месяц 1 кв. м Земли получает от Солнца 20 кВт энергии. Летом же количество энергии достигает 140 Квт/месяц.

Ежедневные наблюдения за этим параметром светила ведут метеорологи, а среднестатистические годовые показатели для каждой местности можно найти в специальных таблицах метеорологических наблюдений.

Солнечные панели имеют КПД от 5 % до 20 %, поэтому с 1 квадратного метра их поверхности можно получать 100-150 Вт/час. Напряжение, непосредственно получаемое от солнечной батареи, чаще всего не превышает 12 Вольт. Использовать ток с такими параметрами в быту не представляется возможным, поэтому в состав солнечной электростанции должны входить и другие элементы: выпрямитель, инвертор, аккумуляторные батареи (электроэнергию надо сохранять для использования в ночное время).

Из всего вышесказанного видно, что выбор гелиоэлектростанции – процесс непростой. Без профессионалов здесь не обойтись, но и обращаться к ним без овладения общими представлениями о предмете тоже не стоит.

Устройства для отопления и нагрева воды

Для использования солнечной энергии в целях горячего водоснабжения и отопления разработаны два вида устройств: вакуумные солнечные коллекторы и плоские гелиопреобразователи.

Вакуумные солнечные коллекторы

Вакуумные солнечные коллекторы имеют сложное устройство и работают по принципу термоса. Внутри одной прозрачной трубки находится другая, покрытая поглощающим свет материалом, между ними – вакуум, для снижения потерь тепла. В полости внутренней трубки находится специальное вещество – адсорбер, который нагревается от солнечных лучей.

Адсорбер отдает тепло трубкам (чаще всего медным), в которых циркулирует теплоноситель. Нагретая вода поступает в систему горячего водоснабжения. В системах отопления, чтобы не допустить её размораживания, необходимо применять специальную незамерзающую жидкость. Вакуумные солнечные коллекторы сохраняют работоспособность при температуре воздуха минус 37 градусов Цельсия и при пасмурной погоде, так как используют и рассеянное излучение Солнца.

Плоские солнечные коллекторы

Устройство плоских солнечных коллекторов другое. Они состоят из корпуса, дно которого покрыто теплоизолирующим материалом. Всю внутреннюю поверхность корпуса занимает теплопоглощающая панель, в её углублениях проходят трубки с теплоносителем. Будучи нагретым, он используется в системе отопления. Поверхность короба покрыта защитным стеклом или поликарбонатом. Это предохраняет устройство от воздействия внешних неблагоприятных условий.

Сфера применения солнечных панелей

Солнечные батареи стали применятся относительно недавно в основном для обеспечения электроэнергией домов, коттеджей, дач, построек расположенных далеко от линий электропередач. Применяются солнечные панели как основной или альтернативный источник питания повсеместно, где есть возможность их смонтировать.

Свойства солнечных панелей

Подобная конструкция состоит из множества фотоэлектрических преобразователей, соединенных между собой в единое целое для превращения энергии отдаваемой солнцем в электричество. Существующие сейчас конструкции при определенных условиях способны достигать 45% эффективности.

Устанавливаются такие установки преимущественно в районах с преобладанием солнечных дней. Также учитывается и географическая широта месторасположения объекта, ввиду того что приближаясь к полюсам лучи солнца, теряют небольшое количество своей мощности. Несмотря на месторасположение вашего дома даже зимой использование солнечной панели поможет значительно уменьшить потребление электроэнергии.

Типы солнечных батарей

Данные конструкции делятся на три категории:

1. Солнечные батареи тонкопленочные состоящие из натянутых тонких пленок, легко монтируемые практически, где удобно. Для их установки требуется значительная площадь, когда небо покрыто облаками их эффективность уменьшается до 25%. Эти солнечные батареи генерируют ток даже в самых неблагоприятных условиях, не боятся пыли и недорого стоят.
2. Монокристаллические. Делают эти изделия в виде большого числа отдельных ячеек залитых силиконовым составом. Такая гидроизоляция обеспечивает высокую защиту от воды и позволяет их использовать на крышах, в судоходстве и других местах с повышенной степенью влажности. Имеют небольшие габариты, малый массу, повышенную гибкость, надежны и долговечны. Отличаются простотой монтажа, но имеют зависимость от прямых лучей солнца, даже небольшие облака на небе могут привести к прекращению работы.
3. У поликристаллических изделий в ячейках располагаются кристаллы с направлением в разные стороны, что дает возможность улавливать рассеянные солнечные лучи и менее зависеть от прямого освещения. Это самые популярные модели широко используются во многих сферах для освещения, нагрева воды, изготовляют в виде панелей синей окраски, стоимость их меньше чем монокристаллических.

Достоинства солнечных батарей

• Доступность — пока солнце светит, всегда можно получить электроэнергию, применяя солнечные панели.
• Полная автономность, система освещения не зависит от центрального электроснабжения, постоянно повышающихся тарифов и дает возможность снизить затраты на содержание жилища.
• Экологическая чистота конструкции, не используются ископаемые ресурсы, фотоэлементы не выбрасывают вредных веществ в атмосферу.
• Не требуется лицензирования на получение электроэнергии. Можно устанавливать солнечные панели на крышах и фасадах домов, и даже на собственных балконах.

Советы по выбору панелей и оборудования

Солнечные панели выгодно применять не только в промышленных масштабах, но и в собственных жилищах. Отечественная промышленность наладила выпуск солнечных батарей на фотоэлементах, стоящих намного меньше зарубежных образцов с гарантией до 25 лет.

Прежде чем устанавливать на крыше своего дома солнечную батарею определитесь, для каких целей она вам требуется: для работы бытовых приборов, для нагрева воды или освещения.

Для нагрева воды вполне достаточно соорудить своими руками на территории солнечный коллектор, что обойдется значительно дешевле.

Для освещения и работы приборов совместно с солнечными батареями придется приобретать аккумуляторы энергии. В первую очередь фотоэлементы заряжают накопительные батареи, и после электроэнергия поступает для освещения.

Аккумуляторы от автомобилей по истечению срока службы придется менять, а особые специализированные накопители электроэнергии стоят дорого. Также в сильный мороз и жару многие модели электронных устройств отказываются работать.

Но, несмотря на все минусы солнечных панелей технологии, постоянно усовершенствуются, и все недостатки постепенно устраняются и за солнечной энергией наше будущее.

Загрузка…

Устройство и принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте, вне зависимости от ее разновидности и устройства.

Характеристика устройств

Ученым удалось обнаружить природные вещества, в которых происходит преобразование света в электроэнергию. Этот процесс они стали называть фотоэлектрическим эффектом. Впоследствии им удалось научиться управлять этим явлением. Потом благодаря полупроводниковым материалам они смогли создать небольшие эффективные приборы – фотоэлементы.

После этого было налажено производство миниатюрных преобразователей и эффективных гелиопанелей. КПД кремниевых панелей составляет 18–22%.

Устройство солнечного модуля

 

Из данных модулей собирают солнечные батареи, преобразующие фотоны солнечной энергии в постоянный ток, накапливающийся в аккумуляторах или трансформирующийся в переменный ток напряжением 220 V, необходимый для питания многих бытовых и промышленных электроприборов.

Такие источники питания незаменимы для удаленных районов, где нет централизованного электроснабжения или часто случаются перебои с электричеством. Кроме того, они позволяют экономить затраты на электроснабжение в быту и в некоторых отраслях промышленности.

Разновидность солнечных батарей

В зависимости от материала изготовления и способа производства, солнечные батареи подразделяют на кремниевые и плёночные.

Кремневые элементы – это устройства, сделанные из кремния, так как этот химический элемент обладает повышенной производительностью, поэтому на него сейчас огромный спрос на мировом рынке. По структуре их подразделяют на три подтипа.

Монокристаллические батареи

Это солнечные батареи состоят из силиконовых ячеек, соединенных между собой. Их удается создавать только из чистейшего кремния, который добывают с помощью выращивания кристаллов. Когда монокристалл становится твёрдым, его делят на тончайшие пластинки, которые соединяют между собой с помощью сетки из металлических электродов. Такая технология изготовления очень дорогая и трудоемкая, поэтому её используют меньше, хотя у монокристаллических батарей высокий КПД, около 22%.

Монокристаллические солнечные батареи

Поликристаллические батареи

Это солнечные батареи состоят из поликристаллов, полученных благодаря постепенному охлаждению сплава кремния. Данная технология изготовления обходится дешевле. Но в этом случае понижается КПД на 4–5%. Это характеризуется тем, что в поликристаллах образуются зоны с зернистыми границами, именно они понижают эффективность поликристаллических батарей.

Устройство поликристаллической батареи

Аморфные батареи

Это солнечные батареи делают из кремневодорода или силана. У аморфных батарей маленький КПД, порядка 5%, но они обладают многими достоинствами:

• гибкие;
• эффективно работают в пасмурную погоду;
• очень тонкие (1 мкм).

Плёночные батареи подразделяются на несколько видов:

• на основе теллурида кадмия;
• на основе сплава меди, индия и селена, их КПД достигает 16–20%;
• полимерные фотоэлементы из органики, у которых КПД небольшой 5–6%.

Аморфная солнечная батарея — устройство

Принцип работы

На отрицательно заряженную панель воздействует солнечный свет, при этом образуется еще множество отрицательных зарядов и «пустот». Электрическое поле, присутствующее в p-n переходе, разделяет положительные и отрицательны частицы. При этом положительные переходят в верхний слой, а отрицательные в нижний. Это приводит к разности потенциалов, в результате возникает постоянное напряжение. Поэтому становится ясно, что каждый фотопреобразователь действует как батарейка. И если к нему подключить нагрузку, в цепи возникнет ток. При этом его сила зависит от следующего:

• степень инсоляции;
• габариты фотопреобразователя;
• вид фотоэлемента;
• полное сопротивление подключенных электроприборов.

Схема работы солнечного электроснабжения

Когда рассматривается схема солнечной батареи, то становятся заметны в ней загадочные наименования узлов. Но на первый взгляд, схема электрической цепи и устройство батареи выглядят просто.

Солнечные модули – это основные элементы солнечной батареи. Эти прямоугольные солнечные панели собирают из определенного количества фотоэлементов. Изготавливают фотопанели разные по мощности и напряжению, кратному 12V.

Панели плоской формы хорошо ложатся на поверхностях. Модульные блоки соединяются с помощью взаимосвязанных подключений в гелиобатарею. Главная цель устройства – это трансформация энергии света в постоянный ток необходимой величины.

Схема соединения солнечных батарей

Аккумуляторы – это устройства, накапливающие электричество. Когда потребители подключены к электрической сети, энергонакопители сохраняют в себе излишки электроэнергии.Аккумуляторный блок питает сеть нужным объемом энергии и в то же время поддерживает в ней стабильное напряжение, после возрастания величины потребления до высоких значений. Это бывает ночью и в пасмурную погоду, когда не работают солнечные панели.

Контроллер является посредником между солнечным модулем и аккумуляторами. Он корректирует степень заряженности батарей и защищает их от выкипания, что может произойти от перезарядки или уменьшения электрического потенциала ниже приделов, требуемых для стабильного функционирования системы.

Инвертор – это узел, который выполняет функцию трансформации постоянного тока солнечных панелей и аккумуляторов в переменный ток напряжением 220V. Именно это напряжение требуется для большинства бытовых и промышленных электроприборов.

Принцип работы солнечной батареи

Пример устройства

Основной смысл подключения солнечных источников электропитания в точном определении нагрузки и правильной настройке контролёра заряда. Самая примитивная схема представлена в устройстве садового фонаря. Эти фонари сегодня становятся очень популярными за счёт яркого освещения. Конечно, зимой свет фонарей, питающихся с помощью фотоэлектрического эффекта солнечной энергией, не такой яркий. В этом случае в схему входит фотоэлемент, накопительный аккумулятор и лампа.

Видео по теме: Солнечная батарея (как устроена)

Как устроены и работают солнечные батареи

Солнечная энергетика становится все более популярной во всем мире. Вместе с коллегами из специализированного портала Elektrik мы разбирались, как устроена солнечная батарея, из чего она состоит и куда отправляется получаемая энергия.

В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях (в научной литературе они называются фотоэлектрическими панелями).

Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи – это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании.

В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: непосредственно, солнечной батареи (генератора постоянного тока), аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.

Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей.

Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые – 15%.

Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею.

Электродвижущая сила отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока.

Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую либо нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки. Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением Pн = IнUн, где Uн напряжение на зажимах батареи.

Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему коэффициенту полезного действия (кпд) преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности.

Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток.

Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит в выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи.

Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а электродвижущая сила — последовательно включенных солнечных элементов. Так, комбинируя типы соединения, собирают батарею с требуемыми параметрами.

Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает.

Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи.

При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов они шунтируются и ток через них не идет.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока.

Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.

При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда.

Это процесс контролируется специальным контроллером. При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда.

При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.

Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов – гелевых (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовыех батарей, которые сделанны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей – 10 — 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается!

Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность.

Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечной батарей можно использовать специальные устройства – инверторы.

Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.

Автор текста: Андрей Повный. Текст впервые опубликован на сайте Electrik.info. Перепечатано с согласия редакции.

Конструкция солнечной батареи: из чего она состоит

Сегодня солнечная энергия используется практически во всех сферах жизни, от зарядки телефонов и питания детских игрушек до энергообеспечения частных (и даже многоквартирных!) домов. Преимущества гелиопанелей уже общеизвестны, а вот конструкция солнечной батареи и многие ее рабочие особенности по-прежнему малознакомы большинству людей. А между тем, в строении и особенностях работы таких устройств нет ничего непостижимого.

Как правило, подобные батареи нередко путают с гелиоколлекторами. Это достаточно распространенная ошибка, притом что эти устройства очень непохожи. Общее у них только одно – использование энергии солнца. Но если батареи преобразовывают эту энергию в электричество за счет явления фотоэффекта, то в коллекторах лучи нагревают внутренний жидкий теплоноситель и вырабатывают тепловую энергию. Отсюда и различие в сферах применения: коллекторы устанавливают для подогрева воды (реже — для отопления небольших домов), а батареи – для энергообеспечения домов и подзарядки техники.

Что такое «солнечная батарея»

Каждая серийная солнечная батарея – это набор соединенных определенным образом кремниевых фотоячеек, помещенных в защитный корпус с прозрачной лицевой частью. Фотоячейки отвечают за преобразование энергии солнца в электричество (иными словами – за выработку фототока), а корпус защищает их от внешних воздействий.

Кроме того, он обязательно снабжается специальными клеммами, через которые солнечные батареи соединяются между собой в гелиополя и подключаются к другому оборудованию (инверторам, аккумуляторам и т.д.). Подобное устройство позволяет и эффективно преобразовывать энергию солнца (с минимально возможными для серийных панелей потерями), и избегать порчи хрупких фотоячеек.

Фотоячейки

Фотоячейки в серийных солнечных батареях используются кремниевые, причем они бывают трех типов: из поликристаллов, из монокристаллов и из напыленного кремния. Первые два вида представляют собой кристаллические ячейки, они образуются либо при поли-, либо при монокристаллизации кремния. Третий же тип – это тонкопленочная ячейка, которая состоит из напыленного на гибкую тонкую подложку кремниевого слоя.

Каждый из этих видов имеет свои особенности и преимущества. Так, у моноячеек самый высокий КПД, гибкие ячейки можно устанавливать на криволинейных поверхностях, а поличейки отличаются более низкой стоимостью при достаточно высокой производительности (хоть и меньшей, чем у монокристаллов).

Корпус

Конструкция корпуса солнечной батареи включает в себя, помимо самих фотоячеек, несколько элементов:

• Защитную алюминиевую рамку. Она придает корпусу жесткость и предохраняет торцы от проникновения влаги;
• Стекло. Стекло используется закаленное, антибликовое, оно обеспечивает более эффективное поглощение солнечного спектра и защищает фотоячейки;
• Ламинирующие слои. Они располагаются сверху и снизу фотоячеек и обеспечивают герметизацию конструкции в сочетании с удалением зазоров между стеклом и фотоячейками;
• Заднюю стенку. Обычно ее изготавливают из легкого, но прочного материала, вплоть до толстой PET-пленки;
• Клеммную коробку. Коробка включает в себя соединительные клеммы для интеграции солнечной батареи в общую структуру.

Причем качество этих составных элементов у разных производителей (особенно – малоизвестных) может сильно отличаться, и зачастую не в лучшую сторону. Поэтому при выборе солнечной батареи репутации производителя нужно уделить особое внимание. Дело в том, что некачественные корпуса очень быстро выходят из строя, в результате чего гелиопанель не сможет выполнять свои функции.

Как работают гелиобатареи

Работают все солнечные батареи по одному принципу – фотоэффекту, иными словами, образованию тока под действием солнечных лучей в определенных материалах (полупроводниках с разными примесями). Лучи солнца, попадая на поверхность двухслойной полупроводниковой пластины, передают электронам верхнего слоя дополнительную энергию. В результате этого электроны начинают движение и переходят в нижний, второй слой. Таким образом, слои полупроводников играют роль своеобразных электродов, между которыми возникает ток.

Но подобная конструкция солнечных батарей подразумевает и несколько нюансов. Например, полупроводники должны быть разного типа проводимости (один — так называемого «дырочного», с избытком положительных зарядов, второй – «электронного», с избытком отрицательного заряда). Кроме того, ширина зоны перехода электронов должна быть не больше определенной величины, чтобы электроны могли ее преодолеть. Именно поэтому принцип действия одинаков для всех солнечных ячеек.

Подключение и установка фотобатарей

Подключение солнечных панелей выполняется по нескольким схемам и зависит от определенных факторов.

Соединение отдельных батарей

Отдельные батареи соединяются между собой последовательно, параллельно или же последовательно-параллельно. Это позволяет получить гелиополе с нужными параметрами выходных тока и напряжения. Так, при последовательной коммутации увеличивается общее напряжение, при параллельной – сила тока. Смешанное же соединение позволяет гибко подбирать оба этих параметра.

Подключение к энергосистеме дома

Состав домашней энергосистемы и методика подключения солнечных батарей определяются нуждами потребителей и типом нагрузки. Так, если от гелиопанелей запитывается энергосберегающая нагрузка (12-вольтная), то использовать инвертор не нужно. Дело в том, что солнечные батареи генерируют постоянный ток, который и использует энергосберегающая нагрузка. Обычная же техника потребляет переменный ток, для получения которого понадобится инвертор. Также состав схемы должен включать в себя аккумулятор (если подразумевается потребление солнечной энергии в пасмурные дни или ночью) и контроллер заряда для регулировки этих процессов.

Нюансы установки

Монтируют солнечные батареи главным образом на крышах, хотя возможна и установка на стене здания или отдельно стоящих опорах. Также нужно иметь в виду, что верхние ряды не должны затенять нижние, для чего между ними необходимо выдерживать определенные интервалы. Ориентируют панели преимущественно на юг, а угол их наклона в идеале должен совпадать с географической широтой местности.