Солнечные панели: устройство и принцип работы. Как работают солнечные панели?

Монокристаллические солнечные элементы (ПЭК) обладают однородной кристаллической структурой и имеют квадратную форму с срезанными углами, что способствует высокой эффективности их работы. В отличие от них, поликристаллические ячейки формируются из множества мелких кристаллов и имеют строго квадратную форму, что также влияет на их производительность.

Как работают солнечные батареи

Исторически сложилось так, что фотоэлектрические элементы впервые начали использоваться главным образом в космосе, где они служили основным источником энергии для различных спутников. Однако с тех пор технологии солнечной энергии существенно развились, и теперь солнечные панели внедрены в нашу повседневную жизнь; они устанавливаются на крышах зданий, автомобилей, используется в наручных часах и даже в некоторых моделях солнцезащитных очков.

Но как же именно функционируют солнечные батареи? Какие процессы позволяют им преобразовывать солнечную энергию в электрическую?

Основные принципы

Солнечные модули состоят из множества фотоэлектрических элементов, объединенных в рамках, которые служат для крепления и защиты. Каждый из этих элементов изготовлен из полупроводникового материала, в большинстве случаев — кремния, который исследуется и применяется в солнечных батареях на протяжении уже многих лет и зарекомендовал себя как успешный выбор.

Когда солнечные лучи попадают на полупроводник, энергия от света вызывает его нагрев и способствует частичному поглощению этой энергии. В результате свободные электроны высвобождаются внутрь полупроводника. К фотоэлементу применяется электрическое поле, которое взращивает движение этих свободных электронов в заданном направлении. Этот поток электронов создает электрический ток.

Если металлические контакты подключены к верхней и нижней частям фотоэлемента, этот ток может быть проведён по проводам к различным устройствам, которые используют электричество. Интенсивность получаемого тока, в сочетании с напряжением элемента, является основным показателем электрической мощности, которую может вырабатывать фотоэлемент.

Кремниевые полупроводники

Для начала давайте рассмотрим процесс донорства электронов на примере кремния. Атом кремния имеет 14 электронов, распределенных по трем оболочкам. В первых двух оболочках находятся 2 и 8 электронов соответственно, а третья оболочка содержит всего 4 электрона, что делает её наполовину неполной.

Для того чтобы заполнить неполные места в третьей оболочке, атомы кремния стремятся «поделиться» электронами со своими соседями. Однако чистый кристалл кремния не является хорошим проводником электричества, поскольку большинство его электронов расположены в прочной кристаллической решетке.

По этой причине в производстве солнечных батарей используется не чистый кремний, а кристаллы с легкими примесями, представляющими собой атомы других элементов, таких как фосфор. Это значит, что на один миллион атомов кремния в среднем приходится только один атом фосфора, который добавляется в процессе легирования.

Фосфор имеет пять электронов в своей внешней оболочке. Четыре из этих электронов образуют прочные электрические связи с соседними атомами кремния, но пятый электрон оказывается «свободным», не привязанным к другим атомам. При воздействии солнечного света на кремний электроны получают дополнительную энергию, позволяющую им выйти из своих атомов, оставляя «дыры» в кристаллической решетке.

Свободные электроны перемещаются через кристаллическую решетку и соответственно создают электрический ток. Когда они сталкиваются с рядом «дыр», они могут заполнить их, тем самым транспонируя положительный заряд. В чистом кремнии эти электроны имеют низкую подвижность, так как они связаны в прочной кристаллической решетке. Однако кремний, легированный фосфором, имеет другое поведение — освобождение несвободных электронов требует гораздо меньшей энергии.

Большинство легированных электронов становятся свободными носителями, что позволяет эффективно использовать их для выработки энергии. Процесс добавления таких примесей для улучшения свойств полупроводников называется легированием.

Кремний, легированный фосфором, представляет собой полупроводник n-типа (от слова «отрицательный»), в то время как кремний, обогащённый бором (который имеет три электрона во внешней оболочке), образует полупроводник p-типа (от «положительный»). Это различие между n-типа и p-типа создаёт важные электрические свойства, необходимые для функционирования солнечных элементов.

Предположим, что одна солнечная панель производит 0,1 киловатта. Если мы принимаем, что среднее количество солнечных часов в день составляет 8, то в течение одного дня панель может произвести 0,1 кВт х 8 ч = 0,8 киловатт на час энергии.

Солнечные панели: устройство и принцип работы

Сегодня, на фоне воздействия традиционных источников энергии на экологию, альтернативные источники начинают активно набирать популярность. К числу таких источников можно отнести солнечные батареи, которые генерируют энергию, используя солнечное излучение. Разработка этой технологии имеет долгую историю, и её широкое использование может привести к революционным изменениям в сфере энергетики.

Что такое солнечные панели

Солнечные панели представляют собой устройства, которые конвертируют солнечную энергию в постоянный электрический ток посредством фотоэлектрического эффекта.

Фотоэлектрический эффект можно объяснить следующим образом: когда поверхность полупроводникового материала нагревается под воздействием солнечного света, электроны выбрасываются и начинают двигаться, тем самым создавая электричество.

Теоретические основы солнечной энергии начали обсуждаться ещё в 1876 году, но первые варианты солнечных батарей удачно появились на рынке лишь в 1956 году. Хотя изначально они не обладали такой эффективностью, как современные модели, принцип действия остался прежним: солнечные фотоны попадают на поверхность батареи, и, в результате фотоэлектрического эффекта, образуется электричество.

Современные солнечные батареи, установленные на крышах зданий, состоят из множества маленьких солнечных элементов. Характерной чертой этих батарей является их внешний вид, обычно выполненный в голубом или сером цвете, что придаёт им эстетичный вид.

Как работает солнечная панель

На первый взгляд может показаться, что использование солнечной батареи — это своего рода чудо: вы помещаете панель на солнечное место и получаете достаточно энергии для питания потребителей. Тем не менее, основы процессов, реализуемых в таких устройствах, лежат в школьных уроках физики, посвящённых валентным связям и электронным оболочкам.

Когда светит солнечный свет, он попадает на солнцезащитные панели, выбивая электроны из верхнего слоя. Эти электроны создают электрическую энергию, которую можно использовать.

Существуют и органические солнечные батареи, которые используют углеродные нанотрубки, органические электролиты и тонкие слои материалов, таких как пластик или акрил.

Почему солнечные панели становятся популярными

Увеличение внимания к солнечным панелям связано с растущей озабоченностью правительств по поводу окружающей среды и необходимостью устранения экологических последствий, совершенных в результате использования традиционных энергоисточников, заметно увеличившихся во время промышленной революции.

Работа солнечных панелей позитивно сказывается на экологии: они абсолютно не выделяют углекислый газ, угарный газ и другие вредные соединения в атмосферу. В процессе эксплуатации для регулярной очистки от грязи и пыли используется вода, однако это количество не превышает таковое при использовании других источников энергии.

Поделитесь этой информацией, если она вам была полезна!

Кроме солнечных батарей, следующей важной компонентой системы является накопительный бойлер, отвечающий за преобразование кинетической энергии в тепловую. Он играет важную роль в нагреве воды, чьи объемы могут достигать 300 литров. В некоторых случаях такие системы дополняются дополнительными котлами на твердом топливе.

Что такое солнечная батарея

Солнечный коллектор состоит из серии солнечных элементов, соединённых в установленной последовательности. Эти элементы могут соединяться последовательно, параллельно или в комбинированном порядке.

На следующем изображении мы можем увидеть 100-ваттную солнечную батарею.

Так выглядит задняя сторона панели.

На этикетке на обратной стороне панели указаны характеристики этого устройства:

Основные параметры солнечной батареи

Максимальная мощность (Максимальная мощность)

Этот параметр определяет максимальное количество энергии, которое солнечный модуль может вырабатывать в условиях яркого солнечного дня, при этом солнце находится в зените, полностью освещая панель.

Максимальное напряжение питания (Максимальное напряжение питания).

Компонент указывает на максимальное значение напряжения, которое может подавать элемент при условии достижения максимальной мощности на нагрузку. Важно отметить, что для этого солнечная панель должна быть обращена к солнцу в ясный солнечный день.

Максимальный ток мощности — это величина тока, которую солнечная панель способна выдавать в результате воздействия солнечных лучей на нагрузку.

Напряжение на разомкнутой цепи — это значение, обнаруживаемое на клеммах солнечных модулей в солнечную погоду, при условии, что клеммы не подключены к какой-либо нагрузке.

Ток короткого замыкания — это количество тока, которое может пройти через цепь солнечного модуля, когда его клеммы соединены вместе, и при этом панель находилась под воздействием солнечных лучей.

Дополнительно имеется ряд характеристик, касающихся размеров и массы устройства. В сопроводительной документации обычно указываются такие параметры, как эффективность солнечного модуля (например, 15,2%), толщина закалённого стекла 3,2 мм и диапазон рабочих температур от -40 до +80 градусов Цельсия. По заявлениям производителя, панель способна выдерживать град размером с горошину и эксплуатационный срок — 15-20 лет. Посмотрим, как она покажет себя на практике.

Солнечная батарея в ясный день

В этой части статьи мы проведём эксперимент с солнечной панелью мощностью 100 Вт и попробуем осознать, оправданы ли инвестиции. Я живу в Удмуртии, что находится на 57-й параллели на севере. Летняя погода здесь тёплая и солнечная, зима — умеренно холодная.

Рассмотрим условия одного ясного солнечного дня, например, 10 июня. Небо безоблачное, солнце в зените.

Я устанавливаю панель таким образом, чтобы она была направлена на солнце и замеряю напряжение на её клеммах в состоянии покоя.

Получаю 23,1 вольта.

Теперь я измерю ток короткого замыкания. Для этого устанавливаю мультиметр в соответствующий режим и соединяю провода солнечной батареи.

Полученное значение почти соответствует заявленным характеристикам.

У меня есть автомобильная лампа, и я подключу её к панели.

Она светит так ярко, что в некоторые моменты я даже не могу посмотреть на неё.

Теперь я проверю напряжение на клеммах панели, когда к ней подключена лампа.

Давайте выясним, сколько тока потребляет наша автомобильная лампа:

Теперь рассчитаем, сколько энергии лампочка получает от панели. Помним, что мощность вычисляется по формуле P = IU, то есть P равно произведению силы тока и напряжения. В нашем случае P = 5,45 A x 16,2 V = 88,3 Вт. Как видно, панель довольно уверенно обеспечивает энергию для нагрузки, которая потребляет 88,3 Вт при напряжении 16,2 В. Лампа, работающая от стандартных 12 В, действительно показала свою эффективность.

Таким образом, в данной статье мы узнали, что такое солнечные батареи, из каких компонентов они состоят, как они работают и на что способны. Возможно, у некоторых читателей возникнет идея построить собственную солнечную электростанцию.

Сфера применения солнечной энергии

Солнечную энергию можно использовать тремя основными способами:

• Экономия электроэнергии. Установка солнечных панелей позволяет избежать или значительно сократить потребление централизованной электроэнергии, а также продавать излишки обратно коммунальным компаниям.
• Электрификация объектов, подключение которых к общим электросетям невозможно или экономически нецелесообразно. К таковым можно отнести загородные дома или охотничьи домики. Кроме того, такие системы используются для освещения в удалённых садах или освещения на автобусных остановках.
• Обеспечение электроэнергией мобильных и портативных устройств. В походах, на рыбалке и в различных активных мероприятиях телефоны, фотокамеры и прочая техника нуждаются в подзарядке, для чего также активно используются солнечные панели.

Эти панели идеально подходят для эксплуатации в тех местах, где электрическое снабжение недоступно.

Преимущества солнечных батарей

Солнечные энергетические системы — это развивающаяся и важная отрасль. Они предлагают массу преимуществ. Эти устройства просты в использовании, долговечны, безопасны и становятся все более доступными.

Основные положительные аспекты использования солнечных батарей:

• Возобновляемость — это практически неограниченный и бесплатный источник энергии. По меньшей мере, в ближайшие 6,5 миллиардов лет. Достаточно всего лишь установить эти системы и использовать их в жилых или загородных домах.
• Изобилие — по всей поверхности земли в среднем поступает около 120 тысяч тераватт энергии, что более чем в 20 раз превышает текущее мировое потребление энергии. Поэтому солнечные панели, установленные в частных домах или на дачах, имеют огромный потенциал.
• Стабильность — солнечная энергия обладает стабильными характеристиками, и человечество не столкнется с её избытком.
• Доступность — солнечная энергия может быть генерирована в любом месте, где доступно естественное освещение, и чаще всего используется для отопления жилых помещений.
• Экологичность — солнечная энергетика является одной из обещающих технологий, способных в будущем заменить традиционные электростанции, работающие на невозобновляемых ресурсах (таких как природный газ, уголь и нефть). Эта энергия безопасна для здоровья человека и домашних животных.

Также стоит обратить внимание на ядерную энергетику. Несмотря на то что «мирный атом» считается безопасным, нужно учитывать риски, особенно в свете аварий, таких как Три-Майл-Айленд, Чернобыль и Фукусима.

• Процесс производства и установки солнечных электростанций не сопровождается выбросами значительных объемов вредных или токсичных веществ в атмосферу.
• Бесшумность — процесс генерации электроэнергии проходит практически бесшумно, в отличие от работы ветряных турбин, которые могут издавать постоянный шум, создавая определённые неудобства для жителей рядом расположенных территорий.
• Экономия — установка солнечных панелей позволяет значительно снизить расходы на электричество. Срок службы панелей обычно составляет 20-25 лет, и обслуживание системы в основном сводится к регулярной очистке от пыли и грязи (примерно каждые 5-6 месяцев).

Недостатки солнечных батарей

К сожалению, несмотря на все преимущества, этот почти безграничный источник энергии имеет и некоторые недостатки:

• Высокая стоимость оборудования — создание и монтаж полноценной солнечной электростанции, даже относительно низкой производительности, могут быть финансово неприменимы для многих, однако этот расход обязательно окупится за счёт сниженных энергетических расходов.
• Инвестиции в установку солнечных батарей требуют значительных начальных затрат.
• Переменная генерация — солнечная энергия не может постоянно покрывать все потребности частного дома в электричестве.

Важно отметить, что хотя использовать системы большого накопления можно, это увеличивает затраты на производство электроэнергии и делает её менее конкурентоспособной по сравнению с традиционными источниками.

• Накопление энергии — системы в солнечных энергостанциях являются самыми затратными компонентами (даже если используется небольшое количество или гелевые панели).
• Хотя солнечная энергия считается экологически чистой, необходимо помнить о выбросах трифторида азота и оксидов серы, которые происходят во время производства батарей. Эти выбросы вносят свой вклад в «парниковый эффект».
• Необходимость использования редких материалов — например, тонкоплёночные солнечные панели содержат теллурид кадмия (CdTe) в своём составе.
• Плотность мощности — это соотношение энергии, которую можно извлечь из одного квадратного метра энергоносителя. В среднем она составляет 150-170 Вт/м². Это значение гораздо выше, чем у других альтернативных источников энергии, но намного ниже энергетического потенциала традиционных источников (включая ядерную энергетику).

Солнечные модули состоят из фотоэлектрических элементов, размещённых в общей раме. Каждый из этих элементов изготовлен из полупроводникового материала, применяемого в солнечных батареях, чаще всего это кремний.

Виды солнечных батарей

Солнечные батареи содержат фотоэлектрические элементы, изготовленные из различных сырьевых материалов, таких как:

• кремний,
• арсенид галлия,
• селен,
• композитные полимеры,
• органические соединения.

Наиболее распространёнными являются солнечные батареи на основе кремния, так как они обеспечивают лучшую эффективность по сравнению со стоимостью. Эти кремниевые фотоэлектрические преобразователи подразделяются на:

• монокристаллические,
• поликристаллические,
• аморфные.

Давайте рассмотрим каждый тип более детально.

Монокристаллические

Как следует из названия, этот тип солнечного элемента является тонким срезом одного крупного кристалла кремния. Монокристаллические элементы обладают высокой выходной мощностью (до 25%), но их стоимость относительно высока; это связано с тем, что процесс изготовления таких кристаллов труден и требует высокой степени чистоты материала. Визуально монокристаллические элементы имеют однородный серый или темно-синий цвет.

Поликристаллические

Эти элементы производятся путём плавления и медленного охлаждения кремния, что приводит к образованию пластин с множеством мелких кристаллов. Каждый из кристаллов имеет сравнительно низкую выходную мощность, однако они могут работать параллельно, обеспечивая достаточно высокий электрический ток. Поликристаллические блоки стоят значительно дешевле монокристаллических, однако их эффективность обычно составляет менее 18%. Такие панели имеют характерный синий или темно-синий цвет с ярко выраженной зернистой текстурой.

Тонкоплёночные модули из аморфного кремния

Эти модули создаются методом нанесения слоя полупроводникового материала на стеклянную или полимерную подложку. Толщина слоя обычно варьируется от нескольких миллиметров до десятков миллиметров. Благодаря малой потребности в материале и хорошей технологичности, аморфные элементы в большинстве случаев обходятся дешевле поликристаллических. Кроме того, при использовании полимерной пленки батарея может гибко принимать форму, что позволяет устанавливать её на неровные или непростые поверхности.

Однако удобство использования этих модулей соответствует низкой эффективности — всего 5-8%. Визуально аморфные солнечные элементы бывают однородного красновато-коричневого или черного цвета, и если они выполнены из фольги, то их можно легко согнуть, что также является их преимуществом.

Гибридные элементы, использующие разнообразные материалы для производств, ставятся на космические станции и спутники, позволяя батарее «видеть» широкий спектр излучения и увеличивая общую эффективность элементов на 40-50%.

Схема подключения батареи к контроллерам и аккумуляторам

Мы рассмотрели процесс создания солнечных модулей и их компоненты. Теперь давайте обсудим практическое применение. Сама по себе солнечная батарея имеет свои ограничения, так как вырабатываемое ей напряжение невысоко и постоянно варьируется. Например, в облачные дни выдаваемое напряжение значительно ниже, а при солнечном дне может быть высоким.

Солнечные батареи также производят постоянный ток, в то время как многие бытовые приборы потребляют переменный ток. К тому же солнечные батареи не обеспечивают электричество в ночное время. Для того чтобы использовать данный источник энергии, необходимо сохранять её и преобразовывать в запрашиваемые параметры. Это является важным шагом в построении солнечных электростанций.

Обычные автомобильные аккумуляторы прекрасно подходят для хранения энергии, так как их параметры идеально соответствуют солнечным батареям, и их можно легко регулировать по мощности. Они не просто хранят энергию, но и стабилизируют напряжение. В случае, если напряжение падает, потребитель будет получать питание от аккумулятора; если напротив, то солнечная батарея будет подавать энергию и одновременно заряжать аккумулятор.

Преобразовать постоянное напряжение солнечной батареи в переменное на 220 В можно с помощью инвертера. В настоящее время существует большой выбор таких устройств с разной мощностью и разнообразными ценовыми категориями.

При выборе инвертера следует учитывать, что некоторые бытовые приборы, такие как холодильники, требуют наличия чистой синусоидальной волны. Большинство дешёвых инвертеров выдают не истинную синусоиду, а так называемую приближенную синусоиду, представляющую собой серию угловых волн с разными полярностями.

Тем не менее, нельзя просто подключить панель напрямую к аккумулятору, так как для зарядки аккумуляторов требуется подача тока строго по правилам, и возможности перезарядки нет. Поэтому необходим контроллер заряда батареи — он управляет током зарядки и отключает батарею от панели, когда она полностью заряжена или когда панель не может обеспечить необходимое напряжение.

Сегодня доступность таких устройств не является проблемой; имеются недорогие модели, однако можно найти и более сложные контроллеры с множеством дополнительных функций, таких как вольтметры, таймеры, встроенные инверторы и так далее. Цены на них варьируются, но, как правило, они остаются доступными. Схема подключения всех компонентов, как правило, довольно проста.

Следует помнить, что солнечная панель подключается к контроллеру, который затем управляет зарядкой аккумуляторов и подает низковольтную нагрузку (не все модели могут это делать). Со стороны аккумуляторов осуществляется подача к инвертору, если мощности солнечной батареи оказывается недостаточно.

Несмотря на то что такая система не является универсальной, всё равно она остаётся простой и надёжной при правильной эксплуатации.

Как добиться максимальной эффективности

Для максимальной эффективности солнечной электростанции при её проектировании и установке важно учитывать определенные характеристики солнечных панелей. Рекомендуется обратить внимание на следующие аспекты:

1. Температура. Чем ниже температура окружающей среды и самой панели, тем выше её КПД. Поэтому не стоит накрывать солнечные панели для защиты от ветра или помещать их в пластиковые ёмкости.
2. Затенение. Панели следует располагать в таких местах, где они не будут попадать в тень в течение дня. Если ячейки находятся в тени, это может оказать значительное негативное влияние на производительность, снижая её на 50-60%.
3. Угол наклона. Наиболее эффективная работа панели происходит, когда солнечные лучи попадают на её поверхность под углом 90 градусов. Однако так как солнце перемещается по небу, в разное время года требуется выставлять панель под соответствующим углом – весной, например, в обеденное время.
4. Чистота. Регулярная очистка поверхности от пыли и загрязнений становится необходимостью. Даже небольшой слой грязи может задерживать до 40% солнечных лучей, следовательно, стоит раз в несколько месяцев освежать панели с помощью шланга.
5. Борьба с отражениями. Учитывая, что обычное стекло может отражать около 5% солнечного света, это создаёт проблемы в утреннее и вечернее время, когда угол падения солнечных лучей минимален. Это можно частично компенсировать использованием антибликового покрытия, что может существенно улучшить эффективность приборов.
6. Контроллер. Эффективность системы также зависит от оптимального использования вырабатываемой солнечной энергии. На практике ШИМ-контроллеры предпочтительнее, так как они специалистами проектированы для отслеживания пиков мощности и поддерживают ток на рекомендованном уровне. Так как системы, работающие с актуальными напряжениями, могут обеспечивать более оптимизированное её распределение.

Удобство. Солнечные электростанции не создают шум, как это бывает при работе бензиновых генераторов, и не загрязняют атмосферу. Эти системы нуждаются в минимальной технической поддержке и эксплуатационных расходах. Кроме этого, вы не будете зависеть от поставок электроэнергии со стороны.

Длительный срок службы. Единственным возможным слабым звеном солнечной электростанции остаются аккумуляторы, срок службы которых составляет около 3-5 лет. А вот сами солнечные панели могут служить абсолютно десятилетиями. Со временем их производительность несколько снижается, однако, если речь идет о высококачественнных продуктах, срок службы может составить 15-20 лет без проблем.

Стоимость. В то время как производители солнечных панелей продолжают снижать их стоимость, эта технология по-прежнему требует значительных первоначальных затрат. Например, поликристаллическая панель мощностью 300 Вт может стоить от 7 до 8 тысяч рублей. Инвертор, обеспечивающий мощность в 1 кВт и обеспечивающий преобразование постоянного тока, также может обойтись в такую же сумму. Не стоит забывать о покупке аккумуляторов и контроллеров.

Важно учитывать, что погодные условия также играют значительную роль: если засушливые времена будут периодически сменяться дождливыми, вы рискуете остаться без света.

Климатической зоной. Это также связано с предыдущим пунктом: если в вашем регионе присутствуют долгие дожди и постоянная облачность, а солнечного света практически нет, система потеряет свою практическую природу.