Монокристаллические ПЭК имеют однородную структуру и квадратную форму со срезанными углами. В отличие от них, поликристаллические ячейки имеют строго квадратную форму.
Как работают солнечные батареи
В прошлом фотоэлектрические элементы использовались почти исключительно в космосе, например, в качестве основного источника энергии для спутников. С тех пор солнечные батареи играют все большую роль в нашей жизни: они покрывают крыши домов и автомобилей, используются в наручных часах и даже в солнцезащитных очках.
Но как работают солнечные батареи? Как им удается преобразовывать энергию солнечного света в электричество?
Основные принципы
Солнечные модули состоят из фотоэлектрических элементов, размещенных в общей раме. Каждый из них изготовлен из полупроводникового материала, например, кремния, который обычно используется в солнечных батареях.
Когда лучи попадают на полупроводник, он нагревается и частично поглощает их энергию. Приток энергии высвобождает электроны внутри полупроводника. К фотоэлементу прикладывается электрическое поле, которое направляет свободные электроны и перемещает их в определенном направлении. Этот поток электронов образует электрический ток.
Если к верхней и нижней части фотоэлемента подключить металлические контакты, то результирующий ток можно провести по кабелям и использовать для работы различных устройств. Интенсивность тока в сочетании с напряжением элемента определяет электрическую мощность, вырабатываемую фотоэлементом.
Кремниевые полупроводники
Давайте рассмотрим процесс донорства электронов на примере кремния. Атом кремния имеет 14 электронов в трех оболочках. Первые две оболочки заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Третья оболочка наполовину пуста — в ней только 4 электрона.
Чтобы заполнить пробелы в третьей оболочке, атомы кремния пытаются «поделиться» электронами со своими соседями. Однако чистый кристалл кремния является плохим проводником, поскольку почти все его электроны связаны в кристаллической решетке.
Поэтому в солнечных батареях используется не чистый кремний, а кристаллы с небольшими примесями, то есть атомами других веществ, добавленных к кремнию. Это означает, что на каждый миллион атомов кремния приходится только один атом, например, фосфора.
Фосфор имеет пять электронов во внешней оболочке. Четыре из этих электронов образуют кристаллические связи с соседними атомами кремния, но пятый электрон «болтается» в пространстве и не образует связей с соседними атомами.
Когда солнечные лучи падают на кремний, его электроны получают дополнительную энергию, достаточную для того, чтобы вырвать их из соответствующих атомов. В результате на их месте остаются дыры. Освобожденные электроны проходят через кристаллическую решетку как носители электрического тока. Когда они сталкиваются с очередной «дырой», они заполняют ее.
В чистом кремнии, однако, эти свободные электроны очень малы из-за прочных связей между атомами в кристаллической решетке. Кремний, легированный фосфором, — это совсем другое дело. Для высвобождения несвязанных электронов в атомах фосфора требуется гораздо меньше энергии.
Большинство этих электронов становятся свободными носителями, которые могут быть эффективно направлены и использованы для выработки электроэнергии. Процесс добавления примесей для улучшения химических и физических свойств вещества называется легированием.
Кремний, легированный атомами фосфора, становится электронным полупроводником n-типа (от слова «отрицательный», из-за отрицательного заряда электронов).
Кремний также обогащен бором, который имеет только три электрона во внешней оболочке. В результате получается полупроводник p-типа (от «положительный»), который производит свободные положительно заряженные «дырки».
Моя панель производит 0,1 киловатта. Предположим, что в среднем мы имеем 8 часов солнечного света в день в год. Таким образом, за один день панель может произвести 0,1 x 8 = 0,8 киловатт x часов энергии.
Солнечные панели: устройство и принцип работы
На фоне вредного воздействия традиционных источников энергии на климат все большее значение приобретают альтернативные источники энергии, которые используются в больших масштабах. К ним относятся солнечные батареи, которые извлекают энергию из солнца. Эта технология имеет долгую историю, и ее широкое применение может привести к впечатляющим результатам.
Что такое солнечные панели
Солнечные панели — это устройства, преобразующие солнечную энергию в непрерывное электричество за счет фотоэлектрического эффекта.
Фотоэлектрический эффект (упрощенное объяснение): Когда поверхность полупроводника нагревается, электроны высвобождаются и приходят в движение, вырабатывая электричество.
Теория солнечной энергии обсуждалась еще в 1876 году, но первые солнечные батареи появились на рынке только в 1956 году. В то время они были не столь эффективны, как сегодня, но принцип действия тот же: солнечные фотоны попадают на солнечные батареи, и за счет фотоэлектрического эффекта вырабатывается электричество.
Солнечные батареи, которые можно увидеть на крышах, состоят из множества маленьких солнечных элементов. Их характерной особенностью является внешний вид стекла, которое обычно голубого или серого цвета.
Как работает солнечная панель
Это может выглядеть как волшебство: Вы ставите стеклопакет под жаркое солнце и получаете энергию, достаточную для охлаждения напитка. Вы уже знаете движущие силы, стоящие за выработкой энергии, из школьных уроков физики, где рассказывалось о валентной связи и электронных оболочках.
Когда солнечный свет попадает на поверхность солнечного коллектора, электроны выбрасываются из верхнего слоя коллектора. Эти электроны генерируют энергию, которую вы получаете от солнечного коллектора.
Но есть и органические солнечные батареи, в которых используются углеродные нанотрубки, органические электролиты и тонкие слои пластика или акрила.
Почему солнечные панели становятся популярными
Это связано с тем, что сегодня правительства уделяют больше внимания защите окружающей среды и устранению существующего ущерба. Большая часть ущерба вызвана источниками энергии, которые распространились во время промышленной революции.
Во время работы солнечные панели не выделяют углекислый газ, угарный газ и другие загрязнители воздуха. Вода используется для регулярной очистки и охлаждения, но не больше, чем при любом другом способе производства энергии.
И вы можете поблагодарить автора, поделившись этим материалом в своих социальных сетях.
Следующим элементом системы является накопительный бойлер. Он преобразует кинетическую энергию в тепловую. Он участвует в нагреве воды, объем которой может достигать 300 литров. Иногда эти системы поддерживаются дополнительными котлами на сухом топливе.
Что такое солнечная батарея
Солнечный коллектор состоит из серии солнечных элементов, соединенных в определенном порядке. Они могут быть подключены последовательно, параллельно или даже последовательно-параллельно.
Вот как выглядит 100-ваттная солнечная батарея
Вид сзади на панель
На этикетке с обратной стороны указаны параметры этой панели:
Основные параметры солнечной батареи
Максимальная мощность (Максимальная мощность)
Этот параметр для солнечного модуля указывает на максимальную мощность, которую модуль может производить в солнечный день, когда солнце находится в зените и модуль полностью освещен солнечными лучами.
Максимальное напряжение питания (Максимальное напряжение питания).
Максимальное значение напряжения при условии, что панель выдает максимальную мощность на нагрузку. При этом также учитывается, что панель должна находиться в зените солнца в яркий солнечный день.
Максимальный ток мощности, который солнечная панель может выдать в нагрузку (Максимальный ток мощности).
Этот параметр указывает максимальный ток, который панель может подавать на нагрузку.
Напряжение разомкнутой цепи
Это напряжение на клеммах солнечных модулей в солнечный день, при условии, что к клеммам не подключена нагрузка.
Ток короткого замыкания Это величина протекающего тока.
Это количество тока, которое проходит через цепь солнечного модуля, когда клеммы соединены вместе и модуль находится под воздействием солнечных лучей.
Кроме того, существуют различные характеристики размера массы. В сопроводительном листе также перечислены такие параметры, как эффективность солнечного модуля = 15,2%, закаленное стекло толщиной 3,2 мм и диапазон рабочих температур о т-40 до +80 градусов Цельсия. По словам производителя, панель выдерживает град размером с горошину и имеет срок службы 15-20 лет. Посмотрим.
Солнечная батарея в ясный день
Итак, в нашей статье мы проведем эксперимент с солнечной панелью мощностью 100 Вт и выясним, стоит ли ее покупать. Поскольку я живу в Удмуртии, это 57-я параллель на север. Лето теплое и солнечное, зима умеренно холодная.
Прекрасный солнечный день 10 июня. Небо безоблачное, солнце в зените.
Я направляю панель на солнце и смотрю на напряжение на клеммах в состоянии покоя.
23,1 вольт бесплатно)
Теперь посмотрим на ток короткого замыкания. Для этого установите мультиметр в режим измерения тока и подключите провода солнечной батареи.
Он почти полностью соответствует описанию).
Берем автомобильную лампочку и подключаем ее к панели.
Он горит так ярко, что даже слепит глаза.
Измерим напряжение на клеммах панели с нагрузкой в виде лампочки.
Давайте посмотрим, какой ток потребляет наша автомобильная лампа:
Давайте подсчитаем, сколько энергии лампочка потребляет от панели. Помните, что мощность — это произведение силы тока и напряжения. Таким образом, получаем P=IU=5,45 x 16,2 = 88,3 Вт. Как вы можете видеть, панель легко питает нагрузку, потребляющую 88,3 Вт при напряжении 16,2 В. Честно говоря, более 14,4 вольт не будет полезно для питания лампы, поскольку это автомобильная лампа. Однако, похоже, он сохранился.
Здесь мы узнали, что такое солнечные батареи, из чего они сделаны, как они работают и на что способны. Возможно, кто-то, прочитав эту статью, задумается о строительстве солнечной электростанции.
Сфера применения солнечной энергии
Существует три способа использования солнечной энергии:
- Экономия электроэнергии. Солнечные панели позволяют избежать или уменьшить централизованное энергоснабжение и продавать излишки электроэнергии коммунальным компаниям.
- Обеспечение электроэнергией объектов, подключение которых к электросети невозможно или экономически нецелесообразно. Это может быть дом для отдыха или охотничий домик, который не находится на линии электропередач. Такие устройства также используются для освещения в отдаленных садах или на автобусных остановках.
- Источник питания для мобильных и портативных устройств. В походе, на рыбалке и других подобных мероприятиях телефоны, фотоаппараты и другие устройства нуждаются в зарядке. Для этой цели также используются солнечные батареи.
Солнечные панели подходят для использования в местах, где электричество недоступно
Преимущества солнечных батарей
Солнечная энергетика — перспективный и растущий сектор. Они имеют много важных преимуществ. Они просты в использовании, долговечны, безопасны и доступны по цене.
Положительные аспекты использования батарей этого типа
- Возобновляемость — этот источник энергии практически неограничен и бесплатен. По крайней мере, в течение следующих 6,5 миллиардов лет. Просто возьмите его, установите и используйте по назначению (в частной квартире или загородном доме).
- Изобилие — Поверхность Земли в среднем получает около 120 тысяч тераватт энергии, что в 20 раз превышает текущее потребление энергии. Солнечные панели для дач или частных домов имеют большой потенциал использования.
- Устойчивость — Солнечная энергия стабильна, поэтому человечеству не грозит ее превышение.
- Доступность — солнечная энергия может генерироваться в любом месте, если там есть естественное освещение. Чаще всего он используется для отопления домов.
- Экологичность — Солнечная энергия является перспективной отраслью, которая в будущем заменит электростанции, работающие на невозобновляемых ресурсах: Природный газ, торф, уголь и нефть. Безопасен для здоровья человека и домашних животных.
Это важно: отдельно хотелось бы выделить термоядерную энергию. Хотя «мирный атом» считается безопасным, этот фактор полностью игнорируется при ядерных авариях (Три-Лонг-Айленд, Чернобыль, Фукусима).
- В процессе производства и установки солнечных электростанций в атмосферу не выбрасывается значительное количество вредных или токсичных веществ.
- Бесшумность — производство электроэнергии происходит практически бесшумно, поэтому этот тип электростанций лучше ветряных турбин. Постоянный гул, который приводит к быстрым поломкам, и работникам приходится часто делать перерывы.
- Экономичность — используя солнечные панели, домовладельцы могут значительно сократить свои счета за электричество. Панели имеют длительный срок службы — производитель гарантирует их эксплуатацию в течение 20-25 лет. Обслуживание всей электростанции сводится к регулярной очистке (каждые 5-6 месяцев) поверхностей панелей от грязи и пыли.
Недостатки солнечных батарей
К сожалению, этот практически неисчерпаемый источник энергии имеет некоторые ограничения и недостатки:
- Высокая стоимость оборудования — самодостаточная солнечная электростанция, даже с низкой производительностью, не всем по карману. Оснащение частного дома такими батареями стоит дорого, но помогает снизить счета за электричество.
- Оснащение дома солнечными батареями требует финансовых затрат.
- Прерывистая генерация — солнечная система не способна полностью и непрерывно снабжать электроэнергией частный дом.
Это важно: проблему можно решить путем установки батарей большой емкости, но это увеличивает стоимость производства электроэнергии и делает его невыгодным по сравнению с традиционными источниками энергии.
- Накопление энергии — на солнечной электростанции система батарей является самым дорогим компонентом (даже при небольшом количестве батарей и гелевых панелей).
- Низкий уровень загрязнения — солнечная энергия считается экологически чистой, но при производстве батарей происходят выбросы трифторида азота и оксидов серы. Все это приводит к «парниковому эффекту».
- Использование редких земель в производстве — Тонкопленочные солнечные панели имеют в своем составе теллурид кадмия (CdTe).
- Плотность мощности — это количество энергии, которое может быть извлечено из одного квадратного метра энергоносителя. В среднем он составляет 150-170 Вт/м2. Это значение намного выше по сравнению с другими альтернативными источниками энергии. Однако он несравнимо ниже, чем у традиционных видов энергии (это относится и к ядерной энергии).
Солнечные модули состоят из фотоэлектрических элементов, размещенных в общей раме. Каждый из них изготовлен из полупроводникового материала, например, кремния, который обычно используется в солнечных батареях.
Виды солнечных батарей
Солнечные батареи включают фотоэлектрические элементы, изготовленные из различных материалов. Они могут быть основаны на следующем:
- Кремний,
- кремний, кремний, кремний, кремний, кремний,
- арсенид галлия,
- селен,
- композитные полимеры,
- органические соединения.
Наиболее широко используются солнечные батареи на основе кремния. Панели из этого материала имеют наилучшее соотношение между эффективностью и стоимостью. Кремниевые фотоэлектрические преобразователи подразделяются на:
- монокристаллический,
- поликристаллический (поликристаллический),
- аморфный.
Давайте кратко обсудим каждый из этих типов.
Монокристаллические
Как следует из названия, этот тип элемента представляет собой тонкий срез одного, но очень большого кристалла кремния. Монокристаллические элементы имеют довольно высокий выход (до 25%), но относительно дороги — нелегко вырастить кристалл такого размера и чистоты, а затем «распилить» его. Монокристаллические элементы имеют однородный серый или темно-синий цвет.
Поликристаллические
Элементы этого типа изготавливаются путем плавления и медленного охлаждения кремния. В результате получается пластина, содержащая большое количество мелких кристаллов. Выход каждого из них невелик, но в пластине они работают параллельно и выдают вполне приличные токи. Поликристаллические блоки стоят намного дешевле монокристаллических, но имеют более низкую эффективность (обычно менее 18%). Поликристаллический блок имеет характерный синий или темно-синий цвет с ярко выраженной зернистой структурой.
Тонкопленочные модули из аморфного кремния
Эти модули изготавливаются путем нанесения полупроводникового слоя на стеклянную или полимерную подложку. Толщина напыления обычно указывается в миллиметрах или миллиметрах. Благодаря низкой материалоемкости и хорошей технологичности аморфные элементы фактически намного дешевле поликристаллических. Кроме того, если в качестве подложки использовать полимерную пленку, батарею можно буквально свернуть в трубочку и легко разместить на неровной поверхности.
Однако ценой за все эти преимущества является низкая урожайность — всего 5-8 %. Аморфный блок имеет однородный красновато-коричневый или черный цвет. И, конечно, если он сделан из фольги, его легко согнуть.
На космических станциях и спутниках используются гибридные элементы, изготовленные из различных материалов и произведенные по нескольким технологиям одновременно. Это позволяет батарее «видеть» очень широкий спектр излучения и увеличивает эффективность элементов на 40-50 %.
Схема подключения батареи к контроллерам и аккумуляторам
Мы узнали, как производятся солнечные модули и из чего они состоят. Теперь поговорим о практическом применении. Сама солнечная батарея малопригодна. Он вырабатывает не очень высокое напряжение, и напряжение все время меняется. Облачно — напряжение это одно, солнечно — другое. Когда появляется облако, вы получаете всплеск.
Кроме того, солнечная батарея вырабатывает постоянный ток, в то время как большинство бытовых приборов работают на переменном токе. И, конечно, солнечные батареи совершенно бесполезны ночью. Чтобы извлечь какую-либо пользу из такого источника, энергия должна быть сохранена и преобразована в желаемые величины. Это необходимо для строительства солнечной электростанции.
Очень практично использовать обычные автомобильные аккумуляторы в качестве накопителей энергии. Они идеально подходят для своего напряжения и могут быть легко отрегулированы по мощности. Батарея не только накапливает энергию, но и стабилизирует напряжение. Если напряжение падает, потребитель получает питание от аккумулятора. Если она повышается, панель подает потребителю электроэнергию и одновременно заряжает аккумулятор.
Преобразовать постоянное напряжение батареи в переменное напряжение 220 В легко с помощью так называемого инвертора. Сегодня существует множество таких устройств с различной мощностью и ценой.
При выборе инвертора важно учитывать, что некоторые бытовые приборы, например, холодильники, требуют чистой синусоиды. Большинство недорогих устройств производят не истинную синусоиду, а так называемую приблизительную синусоиду, состоящую из серии ортогонов с разными полюсами.
Но вы не можете просто подключить панель к батарее. Ведь аккумулятор должен заряжаться определенным током, и перезарядка невозможна. Поэтому нам нужен еще один узел — контроллер заряда батареи. Он самостоятельно противостоит зарядному току и отключает батарею от панели, когда она полностью заряжена или панель не в состоянии обеспечить необходимое напряжение.
Купить такое устройство не проблема, есть дешевые модели, но при желании можно приобрести устройство с рядом дополнительных функций: Вольтметр, таймер, собственный инвертор и т.д. И цена, конечно, будет разумной. Схема подключения всех компонентов довольно проста.
Это само собой разумеется. Напряжение с панели поступает на контроллер, который заряжает аккумулятор и питает низковольтную нагрузку (не все модели). Аккумулятор, в свою очередь, питает инвертор, если мощности солнечной панели для него недостаточно.
Конечно, такая система не является универсальной — все зависит от используемого контроллера. В любом случае он будет таким же простым и будет надежно сопровождать устройство.
Как добиться максимальной эффективности
Для того чтобы солнечная электростанция была максимально эффективной, при проектировании и установке электростанции необходимо учитывать определенные характеристики солнечных панелей. Особое внимание следует уделить следующим моментам:
- Температура. Чем ниже температура окружающего воздуха и самой панели, тем выше ее эффективность. Поэтому не следует защищать солнечные панели от ветра, а тем более помещать их в стеклянный бак для дополнительной защиты. Производители уже позаботились о защите окружающей среды.
- Оттенок Разместите батареи там, где они не будут находиться в тени в течение дня. Если ячейки находятся в тени, их производительность снижается на 50-60 %.
- Угол наклона. Панель работает наиболее эффективно, когда солнечные лучи попадают на панель под прямым углом. Конечно, нельзя сказать точно — Солнце движется. Поэтому весной установите правильный угол около полудня. Это будет оптимально.
- Пыль Регулярно удаляйте со стола пыль и другие загрязнения. Даже едва заметный глазу слой пыли задерживает до 40 % солнечных лучей. Поэтому не поленитесь, возьмите шланг и «искупайте» наши батареи.
- Соображения. Когда ячейки покрыты обычным стеклом, часть света просто отражается и не достигает фотоэлектрических элементов. Это явление происходит в основном утром и вечером, когда угол падения лучей мал. Это может быть частично компенсировано антибликовым слоем. Если у вас есть возможность, стоит приобрести такие панели. Они стоят не намного дороже, но эффект от них очень заметен.
- Контроллер Эффективность солнечной электростанции во многом зависит от того, насколько эффективно используется энергия, вырабатываемая модулем. Не вдаваясь в излишние подробности, второй тип предпочтительнее, поскольку он отслеживает пик мощности и поддерживает ток и напряжение на оптимальном значении для текущего освещения. ШИМ-контроллер, с другой стороны, регулирует только напряжение, поступающее от панели, оптимизируя ток зарядки батареи.
Удобство. Солнечная электростанция не грохочет, как бензиновый двигатель, и не дымит прямо под вашим окном. Он практически не требует обслуживания и расходных материалов. Кроме того, вы не зависите от капризов энергетических компаний и аварий на пути следования.
Длительный срок службы. Единственным слабым местом солнечной станции является аккумулятор, срок службы которого составляет всего несколько лет. Сами солнечные панели могут служить десятилетиями. Конечно, со временем они изнашиваются, но поскольку они от хорошего производителя, они не будут слишком тяжелыми в течение 15-20 лет.
Стоимость. Солнечные панели становятся все дешевле, но они все еще достаточно дороги. Например, поликристаллическая батарея (не самый дорогой вариант) мощностью 300 Вт стоит около 7-8 тысяч рублей. Изображенный на фото киловаттный преобразователь стоит примерно столько же. А еще есть аккумулятор и контроллер.
Все зависит от погоды. Если непогода продолжится, мы можем остаться без света. Не очень приятная перспектива.
Климатическая зона. Этот пункт напрямую связан с предыдущим. Если в вашем регионе постоянно идут дожди и туманы, а солнце светит только раз в неделю, солнечная электростанция не имеет смысла.
