Принципы работы солнечных батарей и как они устроены

Солнце — неиссякаемый источник энергии. Его можно использовать для сжигания деревьев или нагрева воды в солнечных батареях, преобразовывая полученное тепло в электричество. Но есть устройства, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Это солнечные батареи.

Содержание: 1. Сфера применения 2. Принцип действия 3. Достоинства и недостатки использования батарей 4. Технические характеристики: на что обращать внимание 5. Типы солнечных батарей 6. Регулятор заряда солнечных батарей 7. Типы батарей, используемых в батареях 8. Как определить размер и количество фотоэлементов? 9. Эффективность солнечных батарей зимой 10. Правила установки

Сфера применения

Есть три применения солнечной энергии:

  • Электроснабжение объектов, подключение к которым ЛЭП невозможно или экономически невыгодно. Это может быть дача или охотничий домик, расположенный вдали от ЛЭП. Такие устройства также используются для питания светильников на удаленных участках сада или на автобусных остановках.
  • Блоки питания для мобильных и портативных устройств. Во время походов, рыбалки и других подобных мероприятий нужно заряжать телефоны, фотоаппараты и другие гаджеты. Для этого также используются солнечные батареи.
  • Сохранение энергии. Солнечные батареи позволяют отказаться от централизованного питания или снизить его потребление, а также продать лишнюю электроэнергию энергокомпании.

Как работают солнечные панели и как они работают

Солнечные панели удобно использовать там, где нет электричества

Принцип работы

Солнечные элементы представляют собой силиконовые пластины толщиной 0,3 мм. Бор добавляется в блюдо с той стороны, на которую он попадает на свет. Это приводит к появлению чрезмерного количества свободных электронов. Сзади добавляется фосфор, что приводит к образованию «дырок». Граница между ними называется pn переходом. Когда свет попадает на пластину, он «убивает» электроны на обратной стороне. Вот как выглядит разность потенциалов. Независимо от размера элемента, ячейка развивает напряжение 0,7 В. Для увеличения напряжения они соединяются последовательно, а для увеличения тока — параллельно.

Как работают солнечные панели и как они работают

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию промышленного электрического и электронного оборудования Задайте вопрос эксперту. В некоторых проектах на элементах устанавливались линзы или использовалась система зеркал для увеличения мощности. С удешевлением батарей такие устройства устарели.

Максимальная эффективность панели и, следовательно, мощность достигается, когда свет падает под углом 90 градусов. В некоторых стационарных устройствах аккумулятор вращается вслед за солнцем, но это значительно увеличивает стоимость и утяжеляет конструкцию.

Как работают солнечные панели и как они работают

Принцип работы солнечной батареи

Преимущества и недостатки применения батарей

Солнечные панели, как и любое устройство, имеют достоинства и недостатки, связанные с принципом работы и конструктивными особенностями.

Преимущества солнечных батарей:

  • Рентабельность. Солнечный свет используется для выработки электроэнергии, за которую не нужно платить. Таким образом, PVP (фотоэлектрические системы) окупаются через 10 лет, что меньше срока полезного использования, превышающего 30. Кроме того, 25-30 лет — это гарантийный срок, и фотоэлектрическая система будет продолжать работать после него, принося прибыль владелец. Конечно, необходимо учитывать периодическую замену инверторов и аккумуляторов, но все же использование такой силовой установки помогает сэкономить.
  • Экологическая совместимость. Во время работы устройства не загрязняют окружающую среду и не производят шума, в отличие от электростанций, работающих на других видах топлива.
  • Автономность. Он позволяет подавать электроэнергию в удаленные здания или светильники, а также управлять мобильными устройствами в полевых условиях.

Помимо достоинств, у EDF есть и недостатки:

  • Длительный срок окупаемости. Средства, вложенные в фотоэлектрическую установку, окупятся только через 10 лет. Это больше, чем у большинства других вложений.
  • Нерегулярная выработка электроэнергии. Мощность устройства зависит от погоды и времени суток. Это компенсируется установкой батарей или подключением системы к электросети. Это дает возможность в хорошую погоду продавать излишки электроэнергии энергокомпании в течение дня и, наоборот, подключать оборудование к централизованной электросети в ночное время.
  • Высокая цена. Такая система довольно дорогая, особенно если учесть стоимость батарей и инверторов.
  • Фотоэлектрические системы занимают много места: всю крышу и стены здания. Это нарушает дизайн конструкции. Кроме того, батареи большой емкости занимают целую комнату.

Перейдите по ссылке для получения дополнительной информации о том, что такое солнечные панели.

Технические характеристики: на что обратить внимание

Главный параметр системы фотоэлементов — мощность. Напряжение такой установки достигает максимума при ярком освещении и зависит от количества последовательно соединенных элементов, которое почти во всех конструкциях составляет 36. Мощность зависит от площади одного элемента и количества цепей из 36 части соединены параллельно.

Помимо самих аккумуляторов важно выбрать контроллер заряда аккумуляторов и инвертор, преобразующий заряд аккумуляторов в сетевое напряжение, а также сами панели.

Аккумуляторы имеют допустимый зарядный ток, который нельзя превышать, иначе система выйдет из строя. Зная напряжение аккумуляторов, легко определить мощность, необходимую для зарядки. Она должна быть больше, чем мощность солнечной электростанции, иначе в солнечный день часть энергии будет неиспользованной.

Контроллер обеспечивает питание от батареи, а также должен иметь питание, чтобы в полной мере использовать солнечную энергию.

Оборудование, получающее энергию от EDF, подключено к инвертору, поэтому его мощность должна соответствовать общей мощности электрических приборов.

Помимо мощности и напряжения, важно выбрать производителя. Такое оборудование закупается сроком на несколько десятков лет, поэтому на качестве сэкономить невозможно. Производители, долгое время присутствующие на рынке, понимают это и дорожат своей репутацией. Вы можете почитать отзывы о них в Интернете и выбрать самые положительные.

Виды солнечных батарей

Помимо размеров и мощности, панели различаются способом изготовления отдельных элементов из силикона.

Как работают солнечные панели и как они работают

Внешний вид моно- и поликристаллических панелей

Элементы из монокристаллического кремния

Солнечные элементы из монокристаллического кремния имеют квадратную форму со скругленными углами. Это связано с технологией изготовления:

  • после остывания края цилиндра срезаются и основание из круга принимает форму квадрата со скругленными углами;
  • в пластины добавляют бор и фосфор и приклеивают к ним контактные полоски;
  • цилиндрический кристалл выращен из расплавленного кремния высокой степени очистки;
  • получившийся блок нарезают пластинами толщиной 0,3 мм;
  • аккумуляторная ячейка собирается из готовых элементов.

Готовая ячейка закрепляется на основании и покрывается проницаемым для ультрафиолета или ламинированным стеклом.

Такие устройства отличаются максимальной эффективностью и надежностью, поэтому устанавливаются в важных местах, например, на космических кораблях.

Фотоэлементы из мульти-поликристаллического кремния

Помимо твердокристаллических элементов, существуют устройства, в которых солнечные элементы выполнены из поликристаллического кремния. Технология изготовления аналогичная. Основное отличие состоит в том, что вместо круглого кристалла используется прямоугольный стержень, состоящий из большого количества мелких кристаллов различных форм и размеров. Поэтому элементы бывают прямоугольными или квадратными.

В качестве сырья берутся отходы производства микросхем и фотоэлементов. Это удешевляет готовый продукт, но ухудшает его качество. Такие устройства имеют меньший КПД, в среднем 18% по сравнению с 20-22% монокристаллических батарей. Однако вопрос выбора довольно сложен. У разных производителей цена одного киловатта мощности монокристаллических и поликристаллических панелей может быть одинаковой или в пользу любого типа устройства.

Фотоэлементы из аморфного кремния

В последние годы стали обычным явлением гибкие батареи, легче жестких. Технология их изготовления отличается от технологии изготовления моно- и поликристаллических панелей: тонкие слои кремния с добавками напыляются на гибкую основу, обычно стальной лист, до достижения необходимой толщины. После этого листы нарезаются, на них приклеиваются токопроводящие ленты, и вся конструкция ламинируется.

Как работают солнечные панели и как они работают

Аморфные кремниевые солнечные элементы

КПД таких аккумуляторов примерно в 2 раза ниже, чем у жестких конструкций, однако они легче и прочнее за счет того, что их можно складывать.

Такие устройства дороже обычных, но безальтернативны в полевых условиях, когда важны легкость и надежность. Панели можно пришить к палатке или рюкзаку и подзаряжать аккумуляторы во время движения. В сложенном виде такие устройства похожи на книгу или свернутый рисунок, который помещается в сумку, напоминающую трубку.

Помимо зарядки мобильных устройств в походе, гибкие панели устанавливают в электромобили и электрические самолеты. На крыше такие устройства повторяют складки черепицы, а если в качестве основы используется стекло, оно приобретает вид тонированного и может быть размещено в окне дома или теплицы.

Контроллер заряда для солнечных батарей

Непосредственное подключение панели к аккумулятору имеет недостатки:

  • Аккумулятор с номинальным напряжением 12 В будет заряжаться только тогда, когда напряжение на выходе фотоэлементов достигнет 14,4 В, что близко к максимальному. Это означает, что батареи не будут заряжаться некоторое время.
  • Максимальное напряжение фотоэлементов составляет 18 В. При таком напряжении зарядный ток аккумуляторов будет слишком высоким и быстро выйдет из строя.

Чтобы избежать этих проблем, необходимо установить контроллер заряда. Самые распространенные конструкции — это ШИМ и MRPT.

ШИМ-контроллер заряда

Работа контроллера PWM (широтно-импульсной модуляции — PWM) поддерживает постоянное напряжение на выходе. Это обеспечивает полную зарядку аккумулятора и защищает от перегрева во время зарядки.

МРРТ-контроллер заряда

Контроллер MPPT (Maximum Power Point Tracker) обеспечивает значение выходного напряжения и тока, которые максимизируют потенциал солнечной батареи, независимо от яркости солнечного света. При пониженной яркости света увеличьте выходное напряжение до уровня, необходимого для зарядки аккумуляторов.

Такая система есть во всех современных инверторах и контроллерах заряда

Виды аккумуляторов, используемых в батареях

Как работают солнечные панели и как они работают

Различные типы батарей, которые можно использовать для солнечных панелей

Батареи — важный элемент солнечной системы дома, работающей круглосуточно и без выходных.

В этих устройствах используются батареи следующих типов:

  • гель;
  • затопленные (OPZS) и опломбированные (OPZV.
  • стартер;
  • Аккумуляторы AGM;

Батареи других типов, например щелочные или литиевые, дороги и используются редко.

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

Стартерные аккумуляторы

Самый распространенный тип аккумулятора. Они недорогие, но имеют высокий ток саморазряда. Поэтому через несколько пасмурных дней батареи разрядятся, даже если нет заряда.

Недостатком таких устройств является то, что выделение газа происходит во время работы. Поэтому их необходимо устанавливать в нежилом и хорошо вентилируемом помещении.

К тому же срок службы таких аккумуляторов составляет до 1,5 лет, особенно при многократных циклах заряда-разряда. Поэтому в долгосрочной перспективе эти устройства будут самыми дорогими.

Гелевые аккумуляторы

Гелевые батареи не требуют обслуживания. При эксплуатации нет выделения газов, поэтому их можно устанавливать как в жилом помещении, так и в помещении без вентиляции.

Такие устройства обеспечивают высокий выходной ток, большую емкость и низкий ток саморазряда.

Недостатком таких устройств является их высокая цена и небольшой срок службы.

AGM батареи

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

  • маленький размер;
  • быстрая зарядка (до 8 часов;
  • отсутствие газовыделения при работе;
  • большое количество (около 600) циклов заряда-разряда;
  • хорошая производительность при неполной зарядке.

Как работают солнечные панели и как они работают

Аккумулятор AGM внутри

Заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы

Такие устройства самые надежные и имеют самый продолжительный срок службы. У них низкий ток саморазряда и высокое энергопотребление.

Эти качества делают такие устройства наиболее популярными для установки в фотоэлектрических системах.

Как определить размер и количество фотоэлементов?

Размер и количество необходимых фотоэлементов зависят от напряжения, силы тока и мощности, получаемой от батареи. Напряжение элемента в солнечный день составляет 0,5 В. В пасмурную погоду оно намного ниже. Таким образом, 36 фотоэлементов подключены последовательно для зарядки аккумуляторов 12 В. В результате для батарей 24 В требуется 72 элемента и так далее. Их общее количество зависит от площади элемента и требуемой мощности.

Один квадратный метр площади батареи с учетом эффективности может обеспечить мощность около 150 Вт. Точнее, его можно определить по метеорологическим справочникам, которые показывают количество солнечной радиации на месте установки солнечной электростанции или в Интернете. Работоспособность устройства указана в паспорте.

При изготовлении фотоэлектрической электростанции своими руками необходимое количество элементов определяется мощностью элемента в заданном климате с учетом КПД.

Как работают солнечные панели и как они работают

Расчет количества солнечных панелей основывается на потребляемой электроэнергии

Эффективность солнечных батарей зимой

Хотя зимой солнце находится ниже, световой поток немного уменьшается, особенно после снегопада.

Зимой солнечные батареи менее эффективны по трем основным причинам:

  • Снег, особенно мокрый снег, прилипает к поверхности устройства. Его необходимо удалить сразу после падения.
  • Зимой меньше дневного света и больше пасмурных дней. Поменять его невозможно, поэтому рассчитывать заряд батареи придется исходя из зимнего минимума.
  • Угол падения лучей меняется. Для сохранения мощности угол наклона АКБ нужно менять не реже одного раза в сезон, а лучше — раз в месяц.

Правила установки

Максимальная мощность панели достигается в положении, когда солнечные лучи падают перпендикулярно. Это необходимо учитывать при установке. Также важно учитывать, в какое время суток минимальная облачность. Если угол наклона кровли и ее расположение не соответствуют требованиям, его корректируют регулировкой основания.

Между батареей и крышей должен быть воздушный зазор 15-20 сантиметров. Это необходимо для протекания дождя и предотвращения перегрева.

Фотоэлементы плохо работают в тени, поэтому не размещайте их в тени зданий и деревьев.

Фотоэлектрические солнечные электростанции — многообещающий источник экологически чистой энергии. Их широкое использование решит проблемы дефицита энергии, загрязнения окружающей среды и парникового эффекта.

Оцените статью
Добавить комментарий