Типы солнечных батарей: как устроены и как выбрать. Из чего состоит солнечная батарея?

Монокристаллическая плитка (Mono-Si) обладает характерным сине-темным оттенком, который равномерно распределен по всей ее поверхности. При производстве таких плиток используется кремний высокой чистоты. Чем чище кремний, тем выше эффективность преобразования солнечной энергии в электричество, а значит, и рыночная стоимость этих энергетических устройств возрастает.

Принцип работы солнечной батареи: как устроена и работает солнечная панель

Мечта многих сторонников «зеленой» энергетики заключается в эффективном преобразовании свободных солнечных лучей в энергию, которая затем может быть использована для обеспечения электричеством домов и различных объектов. Однако, несмотря на достижения технологий, общий принцип работы солнечных батарей и их мощность на данный момент таковы, что мы не можем говорить о высокой эффективности таких систем.

У большинства людей возникает желание иметь запасной источник энергии, и это вполне оправданно. Особенно актуален этот вопрос в России, где значительное количество частных домовладений использует солнечные батареи для производства «бесплатного» электричества. Вы еще не знаете, с чего начать?

В этой статье мы расскажем о структуре и принципе функционирования солнечных модулей и выясним, что может влиять на эффективность солнечных систем. Кроме того, видео, которое мы представим, поможет вам в сборке собственного солнечного модуля из фотоэлектрических элементов.

Солнечные модули постепенно становятся более доступными и эффективными. В современном мире они находят применение в самом разнообразном оборудовании: от зарядных устройств для аккумуляторов уличных фонарей и смартфонов до электромобилей, частных домов и спутников в космосе. Кроме того, солнечные батареи использовались для строительства крупных солнечных электростанций (СПП).

Солнечный модуль состоит из множества фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей), которые преобразуют солнечную фотонную энергию в электричество. Каждый солнечный модуль содержит одновременно ряд солнечных модулей, в которых фотоэлектрические полупроводниковые элементы соединены последовательно. Чтобы полноценно понять, как функционирует такая батарея, важно разобраться в том, какую роль играет последнее звено в массиве полупроводниковых солнечных элементов.

Виды кристаллов фотоэлементов

Существует множество различных вариантов фотоэлектрических элементов (PEC), изготовленных из самых разнообразных химических веществ. Однако большинство из них все еще находятся на стадии разработки и не получили широкого распространения. На сегодняшний день в промышленных масштабах производятся только фотоэлектрические модули на основе кремния.

Кремниевые полупроводники применяются для производства солнечных батарей в силу их низкой стоимости, однако они не обладают особенно высокой эффективностью.

Типичный солнечный элемент в солнечном модуле представляет собой тонкую пластину, состоящую из двух слоев кремния, каждый из которых обладает своими специфическими физическими свойствами. Это более известный как p-n полупроводниковый контакт, в котором происходят взаимодействия между электронными и дырочными парами.

Когда солнечные фотоны попадают на преобразователь, на границе между этими полупроводниковыми слоями формируется фотоэлектрический HED-затвор благодаря неравномерности кристалла, что приводит к возникновению разницы потенциала и формированию электронного тока.

Кремниевые пластины для фотоэлектрических элементов различаются по технологии производства, среди которых выделяют следующие:

1. Монокристаллические фотоэлементы.
2. Поликристаллические фотоэлементы.

Монокристаллические элементы обладают более высокой эффективностью, но и издержки на их производство значительно выше, чем у поликристаллических. Внешне эти различные типы солнечных модулей можно отличить благодаря их форме.

Солнечные электростанции для автономного использования состоят из солнечных модулей, непреложной частью которых являются фотоэлектрические полупроводниковые элементы. Фотоэлектрические элементы делятся на монокристаллические и поликристаллические в зависимости от производственного процесса и, соответственно, их эффективности.

Монокристаллические солнечные элементы производятся из чистого кремния, который выращен в лабораторных условиях. Их характерная темная окраска и форма напоминают прямоугольник со скошенными углами. В отличие от поликристаллических, они вырабатывают энергию с КПД от 20 до 22%. Тем не менее, стоимость монокристаллических элементов выше.

Для создания автономной электростанции можно приобрести отдельные солнечные батареи, которые можно собрать самостоятельно, а также готовые к установке аккумуляторы.

Поликристаллические элементы создаются с применением кремния, который вначале расплавляется, а затем затвердевает. Эти элементы имеют прямоугольную четкую геометрическую форму, часто более яркого голубого цвета, и их эффективность ниже — до 18%.

Солнечные модули, как поликристаллические, так и монокристаллические, строятся из фотоэлектрических элементов обоих типов в соответствии с установленными правилами. Готовый к установке блок должен содержать либо 36, либо 72 солнечных элемента.

Процесс сборки солнечных модулей включает в себя сварку проводов, обеспечивающую последовательное соединение между собой как монокристаллических, так и поликристаллических солнечных батарей.

Эффективность батарей гелиосистемы

Следует отметить, что один отдельный фотоэлемент вырабатывает весьма ограниченное количество энергии, даже в солнечный день, что недостаточно для питания каких-либо более мощных электроприборов — лишь годится, к примеру, для освещения светодиодного фонарика.

Для увеличения выходной мощности множество солнечных элементов обычно соединяются параллельно, что повышает постоянное напряжение, или последовательно, что ведет к увеличению тока.

Эффективность солнечных батарей во многом зависит от следующих факторов:

• Температура воздуха и самой батареи,
• Правильный выбор нагрузочного резистора,
• Угол падения солнечного света,
• Наличие или отсутствие антибликового слоя,
• Интенсивность светового потока.

Наилучшие условия для эффективной работы фотоэлементов наблюдаются при низкой наружной температуре. Это правило довольно просто объяснить: чем ниже температура, тем эффективнее происходит работа системы. Однако расчёт нагрузки может быть несколько сложнее, поскольку он должен основывать свои параметры на величине тока, подаваемого контролируемой панелью, что, в свою очередь, может варьироваться в зависимости от внешних погодных условий.

Солнечные модули могут иметь несколько выходных напряжений, например, 12 В. Если требуется, чтобы система запускала 24 В, то необходимо соединить два модуля параллельно.

Осуществлять постоянный мониторинг параметров солнечного модуля и ручную корректировку его работы непросто. Лучший выход из этой сложной ситуации — применение системы управления солнечными батареями, которая автоматически проводит настройки солнечных модулей для достижения максимальной продуктивности и отдачи от солнца.

Идеально, когда солнечные лучи падают на солнечную систему под перпендикулярным углом. Однако на угле до 30 градусов от перпендикуляра эффективность панели снижается лишь на 5%. Однако при дальнейшем увеличении угла, обратная сторона проблемы заключается в увеличении доли солнечного излучения, которую отражает панель, тем самым снижая эффективность фотоэлектрического генератора.

Если батарея должна производить максимальное количество энергии в летний период, ее следует настраивать на перпендикулярную поверхность относительно среднего положения солнца, который она занимает во время весенне-осенних равноденствий.

Для региона Москвы это значение составляет примерно 40-45 градусов по отношению к горизонту. Если же максимальная производительность требуется зимой, панели нужно устанавливать в вертикальное положение.

К тому же пыль и грязь на солнечных панелях значительно снижают их продуктивность. Фотоны просто не могут достигать ячеек через такой «грубый» барьер, и поэтому не могут быть преобразованы в электричество. Периодическая чистка панелей или их расположение в таких условиях, чтобы дожди могли их очищать — необходимые меры для поддержания эффективности!

Многие солнечные панели оборудованы встроенными линзами для фокусировки солнечного излучения на очередных фотоэлементах, что улучшает их производительность в ясную погоду. Однако при наличии значительной облачности такие линзы могут фактически снижать эффективность.

В то время как обычная панель продолжает работать даже в таких условиях, однако с меньшими объемами, линзовая модель почти полностью прекращает работу.

Идеально, если на солнечную батарею попадает равномерное освещение. Если одна из зон затемнена, фотоэлементы в этих местах становятся паразитной нагрузкой. Таким образом, они не только не создают электрическую энергию, а и отбирают ее у функционирующих элементов.

Важно также установить панели так, чтобы ни деревья, ни здания, ни кто-либо другой не закрывали солнечное излучение.

Солнечная батарея может работать в любое время года и днем и ночью (она нуждается в свете, а не в тепле) — чем меньше облаков и чем ярче солнце, тем больше электроэнергии она может производить.

Принцип работы солнечной батареи

Солнечная панель является экологически чистым источником энергии, который используется не только в промышленности, но и в быту. Преобразуя солнечный свет в постоянный ток, солнечные панели позволяют получать возобновляемую энергию, которая может быть использована для питания различных электрических приборов и даже зарядки электромобилей, при этом нет необходимости подключать оборудование к электросети.

Фото: ozon.ru

Солнечная панель функционирует по принципу действия фотоэлектрического инвертора. Полупроводники используются для концентрации солнечного излучения, в результате чего получается электричество с напряжением 220 В.

Обычная солнечная панель представляет собой прямоугольную пластину, что является её наиболее узнаваемой формой. Внутри панели находится определённое количество кремниевых пластин, покрытых закалённым стеклом. Благодаря своей проводящей системе свободные токи частиц аккумулируются в аккумуляторах, в то время как инвертор преобразует постоянный ток в переменный ток 220 — 230 В.

Для больших установок, будь то дом или квартира, одной панели будет недостаточно: количество панелей зависит от необходимых потребностей в электрической энергии. При установке следует уделить особое внимание тому, как будет размещена конструкция.

Преимущества использования солнечных батарей

Давайте более подробно рассмотрим преимущества, которые дает использование солнечных батарей:

• Автономия. Работа этого возрастающего альтернативного источника энергии не зависит от цен на коммунальные услуги или работы энергетической системы страны в целом. Даже если задача полного отопления дома не может быть решена солнечными коллекторами, энергии, вырабатываемой для питания электрических котлов, будет вполне достаточно.
• Эффективность. Чтобы использовать солнечные панели в качестве основного источника энергии, нет необходимости организовывать какое-либо специальное пространство, что значительно снижает затраты на обогрев в холодный период. Мощности станции сразу достаточно для обеспечения электроприборов, а срок окупаемости достигает 3 лет при среднем времени службы продукции в 25 лет.
• Простота установки. Установка солнечного коллектора не требует получения разрешений от государственных органов.
• Экологичность. Солнечные панели представляют собой предельно безопасный для экологии источник альтернативной энергии. Они не наносят вреда ни людям, ни окружающей среде.

Несмотря на все преимущества, использование солнечных батарей имеет и некоторые недостатки. Наиболее значительным из них является зависимость от климатических условий и погодных условий. В дождливую, снежную и облачную погоду панели становятся менее эффективными. Более того, системы размерами с дом или квартиру зачастую не способны полностью обеспечить потребности в электроэнергии.

Стоит учесть также, что для строительства крупных солнечных установок требуются значительные финансовые вложения. Идеально было бы сделать так, чтобы эксплуатация солнечной батареи была дешевле, чем традиционные источники энергии — газ или электричество.

Типы кремниевых солнечных батарей

Основным компонентом солнечных модулей является кремний. В России обширные запасы этого материала располагаются на Среднем Урале и в Западной Сибири, что предоставляет возможности для дальнейшего развития альтернативных источников энергии. Кремний легко извлекается и обладает хорошими электропроводными свойствами.

Монокристаллические батареи

Современные монокристаллические батареи изготавливаются из самого чистого кремния, содержащего минимальные примеси. Процесс производства включает резку цилиндрической металлической полосы на несколько слоев кремния, что приводит к получению единой пластины. Готовые панели могут иметь округлую, квадратную или более известную форму сот. В процессе производства используются только те кристаллы кремния, которые имеют одну направленность.

После затвердевания их нарезают на тонкие фрагменты и соединяют между собой с использованием электродной сетки. Готовая панель также требует установки дополнительного оборудования для накопления солнечной энергии на протяжении дня. Высокие затраты на этот сложный процесс производства обуславливают высокую цену конечного продукта, однако высокая эффективность таких панелей (17-25%) компенсирует все недостатки.

Поликристаллические батареи

В отличие от монокристаллических, поликристаллические панели значительно дешевле в производстве, поскольку кремний в них не используется в чистом виде. В процессе создания таких батарей отсутствуют операции вытяжки, а кремниевая композиция образуется через постепенное охлаждение. Однако за счет снижения производственных затрат падает эффективность подобных панелей, которая составляет 18% и ниже.

Аморфные батареи

Эти панели производятся с использованием технологий на основе силикона и фольги. Основа для таких батарей — диоксид кремния, который наносится на субстрат панели. Хотя их эффективность довольно низка (до 5%), ячейки на аморфном основании могут более эффективно использовать рассеянный солнечный свет, что позволяет им производить электрическую энергию даже в облачную погоду. Это является их значительным преимуществом на рынке.

Фото: ozon.ru

Продажа солнечных модулей становится более прибыльным и многообещающим бизнесом. Объем продаж растет каждый год. Первое место по объему продаж занимают китайские производители, чья продукция отличается низкой ценой. Это положение вещей привело к банкротству крупных немецких компаний, предлагающих солнечные модели, которые стоят в два раза дороже, чем китайские.

Вслед за солнцем. О гелиотропии и подвижности солнечных батарей

Солнечные батареи представляют собой одно из самых интересных изобретений 19 века, которое значительно опередило свое время. Они сочетают в себе простейшую, по сути, бионическую идею — прямое использование солнечной энергии, подобно тому, как это происходит с помощью солнечных батарей, — и сложный логистический элемент, который до сих пор во многом подрывает саму концепцию. Эти панели оказались громоздкими, недолговечными и уязвимыми источниками энергии. К тому же проблемы с переработкой и утилизацией делают их менее экологичными. Тем не менее, солнечные батареи находят эффективное применение как на «Мире», так и на Международной космической станции, поскольку именно они лучше всего подходят для работы в условиях космоса. Там отсутствуют облака, снег и пыль, а, главное, нет дополнительных источников энергии, поскольку солнечные лучи светят без остановки, и их излучение не рассеивается из-за отсутствия атмосферы.

Однако, несмотря на очевидные преимущества, технология солнечных модулей по-прежнему сталкивается с множеством трудностей. Одним из интересных направлений исследований и разработок, которые могут значительно повысить эффективность солнечных панелей, является введение им свойств живых растений. Идеальная солнечная панель должна удивлять своей гелиотропностью: она должна вращаться вслед за солнцем на протяжении всего дня. В неблагоприятную погодную погоду такая панель должна «закрываться», подобно цветку. Эти аспекты будут рассмотрены ниже.

В XIX веке была разработана фотохимия, которая легла в основу множества исследований электричества. В 1839 году французский физик Александр Эдмон Беккерель открыл фотоэлектрический эффект и продемонстрировал, что свет может непосредственно преобразовываться в электричество. Эффективность этого процесса зависит, разумеется, от материала, который используется для преобразования. Первый работающий образец солнечной батареи был создан в 1883 году американским инженером Чарльзом Фриттсом, который собрал миниатюрную солнечную батарею из селена. Эта работа базировалась на случайном открытии другого ученого, Уиллоби Смита, который занимался прокладкой трансатлантического телеграфного кабеля в 1873 году и заметил, что электропроводность селеновых стержней возрастает, когда на них попадает солнечный свет. Эффективность селеновой батареи Фриттса составляла всего 1%.

Однако эти приборы оставались исключительно лабораторным исследованием до 1912 года, когда их начали активно применять итальянский химик армянского происхождения Джакомо Луиджи Чамичан. В своем выступлении на 8-м Международном химическом конгрессе он провозгласил:

«Промышленные колонии будут появляться в засушливых регионах без дымоходов; леса из стеклянных трубок начнут расти по равнинам, а стеклянные здания будут вырастать повсюду; в них будут происходить фотохимические процессы, которые до настоящего времени были неизвестны науке, но все это будет побеждено человеческой цивилизацией, которая сможет производить еще более обширные результаты… И когда в недалеком будущем запасы угля иссякнут, цивилизация не исчезнет, поскольку она продолжит своё существование до тех пор, пока светит солнце!».

Таким образом, уже до первой мировой войны было признано важное значение солнца как источника энергии, однако широкое применение солнечных батарей стало возможным лишь после решения по крайней мере двух основных проблем:

• Повышение фотохимической эффективности фотоэлектрических элементов.
• Оптимизация отражения так, чтобы батарея поглощала достаточное количество света, не перегреваясь.

Кратко опишу, из чего состоит современный солнечный элемент.

Фотоэлектрические электростанции представляют собой перспективный, экологически чистый источник энергии. Их массовое использование позволит эффективно решать проблемы нехватки энергии, загрязнения окружающей среды и глобального потепления.

Виды солнечных батарей

На первый взгляд, все солнечные модули похожи: темные стеклянные элементы с металлическими полосками для электрического соединения, закрепленные на алюминиевой раме. Однако они классифицируются по выходной мощности, которая зависит от конструкции и площади коллектора (это могут быть небольшие панели мощностью до 10 ватт и многометровые «пластины» мощностью 200 ватт и более).

Модули также различаются по типу используемых фотоэлементов, таких как фотохимические, аморфные, органические и производные от кремниевых полупроводников, каждая из которых с различной эффективностью преобразования. Солнечный модуль на основе арсенида галлия имеет потенциал стать конкурентом кремниевым. В итоге на рынке представлены пять основных типов солнечных модулей.

Эти модули различаются по материалам, которые используются для их изготовления:

1. Поликристаллические фотоэлектрические панели, обладающие характерным синим цветом, кристаллической структурой и эффективностью в диапазоне 12-14%.

2. Панели из монокристаллических элементов, являющиеся более дорогими, но и более эффективными (КПД достигает до 16%).

3. Солнечные батареи из аморфного кремния, которые обладают самым низким КПД (6-8%), но при этом вырабатывают самую дешёвую энергию.

4. Панели с использованием теллурида кадмия, сделанные с применением пленочных технологий, с эффективностью 11%.

5. И, наконец, солнечные элементы, травмирующие полупроводники CIGS (медь-индий-галлий-селен), которые обладают эффективностью до 15% и производятся также на основе пленочных технологий.

Также стоит отметить, что солнечные модули можно использовать в гибком и мобильном формате.

Гибкие солнечные батареи

Гибкие солнечные панели, которые можно сворачивать в рулон, как бумагу, приобретают все большую популярность. Несмотря на то, что они более дороги, чем их жесткие аналогичные решения, они находят свое применение на рынке. В основном гибкие панели востребованы туристами и путешественниками, которые нуждаются в зарядке мобильных устройств в отсутствие классической электроэнергии. Основным производителем гибких солнечных батарей является компания Sun Charger, которая недавно расширила ассортимент, добавив модели мощностью 34 Вт и 9 Вт.

Первый из них подходит для зарядки различных устройств, таких как планшеты, мобильные телефоны, видеокамеры, цифровые фотоаппараты, GPS и 6-вольтовые или 12-вольтовые свинцово-гелевые аккумуляторы, обеспечивая энергией туристов во время походов.

SunCharger SC-9/14 — батарея в сложенном состоянии.

А вот так выглядит панель в разложенном виде.

Чемпион по характеристикам, кроме компакности, это устройство работает при широком диапазоне температур: от -50 до +70 градусов, при этом весит всего 420 грамм. Остальные характеристики включают наличие антибликового покрытия, встроенный светодиодный фонарь и отверстия для крепления. Выходной разъем у этой модели стандартный (5,5 мм / 2,1 мм).

Электрические характеристики: Рабочее выходное напряжение 13,5 В (стандартное 12 В), без нагрузки — 19 В; рабочий выходной ток составляет 0,65 А; габариты в сложенном и разложенном виде — 20.5 х 15 х 3 см и 50 х 41.5 х 0.4 см соответственно; выходная мощность составляет 8,6 Вт.

Выходной разъем модели SunCharger SC-9/14.

Второй вариант SunCharger SC-34/18 выделяется своей мощностью среди всех гибких солнечных панелей. Он специально предназначен для зарядки портативных устройств общего назначения (ноутбуков), которые обыкновенно требуют входного напряжения 17-19 вольт. Максимальное выходное напряжение составляет 18 В, что позволяет подключать устройство непосредственно к аккумуляторам, обеспечивая тем самым необходимую совместимость. Кроме того, он также может обслуживать более «потребляющие» элементы, такие как свинцово-кислотные аккумуляторы без проблем.

Солнечная батарея производит 18 В при нахождении под весом своей нагрузки и подключается непосредственно к этим источникам, что позволяет ей оптимально соответствовать их требованиям.

Однако, это устройство также работает и с менее требовательными потребителями. Как уже было отмечено, энергия — это стремящаяся к бесконечности величина. Кроме того, долговременный аккумулятор, подходит и для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов 12 В, например, используемых в автомобилях (через несколько часов заряда вы вполне сможете завести авто).

Толщина данного устройства составляет 4 см, что делает его несколько большего размера, чем просто стандартные 12 В аккумуляторы, однако устройство всё же немного более компактное по сравнению с обычными свинцово-кислотными батареями.

Гибкая солнечная батарея (модель SunCharger SC-34/18).

Достигается это за счёт применения более тонких материалов и многоярусного фотоэлектрического покрытия, которое охватывает большую площадь под солнечными лучами.

Портативная солнечная батарея – специально для туристов

Современные люди не могут обойтись без своих электронных устройств. Эта проблематика касается не только привычных нам устройств, но и портативной электроники. Все эти аппараты требуют зарядки, а следовательно, и зарядное устройство. Однако особенно остро эта проблема становится для тех, кто оказывается в местах с отсутствующим электроснабжением. В таких условиях солнечные батареи становятся отличным выходом. Но, несмотря на свои преимущества, цены на такие устройства все еще остаются высокими, а выбор на рынке не так велик. Оптимальным выбором на сегодняшний день однозначно считается продукция Goal Zero, хотя и локация, как российская, так и китайская продукция нередко подвергается сомнению.

Тем не менее, не все товары, произведенные в Китае или Корее, имеют плохую репутацию. Чикагская компания YOLK представила Solar Paper, компактную солнечную панель, тончайшую и легчайшую на рынке. Она весит всего 120 граммов и отличается множеством других преимуществ. Модульная конструкция позволяет увеличивать мощность устройства. Solar Paper выглядит как пластиковая коробка, схожая по своим размерам с iPad, но в два раза тоньше. На передней панели расположена солнечная батарея. На корпусе имеется разъемы для ноутбука и USB-порты для подключения дополнительных панелей, а также встроенный фонарик. Внутреннее устройство включает батареи и панель управления. Вы можете подключать его к розетке, что позволяет одновременно заряжать телефон и два ноутбука. При этом устройство также может заряжаться от солнечного света. Когда на него попадает яркий свет, загорается соответствующий индикатор.

Портативные солнечные панели отличаются небольшими размерами и даже могут иметь форму брелоков, что позволяет легко переносить их и использовать в любых путешествиях — на рыбалке, в походе и так далее. Такие устройства обязательно оснащены фонариком, что позволяет освещать дорогу или палатку в темноте. Кроме того, у них обычно есть держатели, которые облегчают прикрепление к рюкзакам, байдаркам, палаткам. Один из важнейших моментов — наличие встроенного аккумулятора, который позволяет заряжать устройства даже ночью.

Солнечная панель работает по принципу фотоэлектрического инвертора. Полупроводники используются для концентрации солнечного излучения, что приводит к получению электрической энергии с напряжением 220 В.

Устройство солнечной батареи

Солнечная батарея считается надежным источником энергии, который активно используется в современной жизни. Первые испытания таких батарей проводились в космосе, где была доказана их функциональность. В дальнейшем данное изобретение нашло применение на Земле для зарядки мобильных телефонов, электромобилей и различных промышленных устройств.

Солнечные панели завоевали популярность благодаря своей доступности и длительному сроку службы. Такими конструкциями могут пользоваться все желающие, поскольку при их изготовлении используются новейшие и недорогие материалы. Однако все солнечные батареи можно подразделить на типы:

• Чем больше площадь поверхности панелей, тем выше их мощность,
• По типу фотоэлектрических элементов, среди которых фотохимические, органические и кремниевые.

Однако общая структура и функционирование остаются схожими для всех типов батарей.

Устройство батареи

Солнечная панель — это сборный блок, который включает определенное количество модулей. Эти модули объединяют фотоэлектрические полупроводниковые элементы, детали изготавливаются из различных материалов. Для промышленных применений, где требуется большое количество электроэнергии, предпочтительным является использование кремния.

Фотоэлектрический элемент представляет собой тонкий лист биполярного кремния. Он образует полупроводниковый контакт. Когда солнечный свет попадает на панель, генерируется фотоэлектрическое электромагнитное поле, которое напоминает ворота между двумя слоями кремния. В результате формируется разность потенциала и возникает электронный ток.

Однако не все кремниевые панели одинаковы: различают монокристаллические и поликристаллические элементы. Первые состоят из чистого кремния, не содержащего дополнительных примесей, и обычно используются для изготовления внутренних слоев. Они состоят из однородных переменных многоугольников. Монокристаллические элементы дороже, но имеют значительно более высокую эффективность — 20-25%.

Поликристаллические элементы представляют собой идеальные ровные квадраты в верхнем слое. Они изготавливаются за счет постепенного охлаждения кремния и добавления примесей, например, фосфора. Данная технология производства доступна, поэтому цена поликристаллических батарей ниже. Эффективность их фотоэлектрического преобразования меньше — 15% из-за различий в процессе и структуре пластин.

Существуют также панели, изготовленные из следующего материала:

• аморфный кремний — позволяет производить самую дешёвую электроэнергию, но у него самая низкая эффективность — 6-8%,
• теллурид кадмия — обеспечивает 11% электроэнергии,
• Полупроводник CIGS, в состав которого входят селен, индий, медь и галлий — средняя эффективность батареи составляет 15%.

Разница в составе пластин приводит к возникновению двух типов проводимости: p-типа и n-типа.

Задняя часть панели покрыта слоем металла. Вся конструкция защищена от внешних воздействий (дождя, грязи) с помощью пластика или стекла, что позволяет избежать повреждений и выхода из строя.

Как работает солнечная панель

Когда солнечные лучи попадают на верхний слой кремниевой пластины, возникают пары электрон-дырка. Перемещение электронов между слоями кремния создает напряжение в цепи: в одном слое будет положительный источник тока, в то время как в другом — отрицательный. Эта разность потенциалов обеспечивает возможность свободного перемещения только электронов из слоя n.

Когда фотоэлементы подключены к батарее, электроны непрерывно перемещаются по всей схеме. В итоге заряд накапливается в аккумуляторе и затем передается электрическим устройствам.

Вопрос, почему эффективность инновационных батарей, даже с высококачественными монокристаллическими элементами, составляет не 100%, а значительно меньше, заключается в явлении фотоэлектрического оттока. В процессе этого явления проходят лишь те электроны, энергия которых превосходит ширину специальной полосы. В случае, если энергия электрона ниже, он просто не будет участвовать в преобразовании.

Одним из способов преодолеть это физическое ограничение является применение многостратегических структур. В таких конструкциях используются пластины различной ширины, где солнечный свет проходит сначала через самый широкий фотоэлектрический элемент. Таким образом, фотоны с высокой энергией поглощаются первыми, в то время как более низкоэнергетические фотоны, проходя через первый слой, достигают следующего слоя, где снова преобразуются в электроэнергию. Это позволяет повышать общую эффективность до 35%.

Батареи для солнечных панелей должны быть одинакового возраста и емкости. В противном случае процесс зарядки и разрядки будет происходить неравномерно, что может существенно сократить срок их службы.

Контроллер заряда для солнечных батарей

Подключение панели напрямую к аккумулятору имеет свои недостатки:

• Батарея с номинальным напряжением 12 В начинает заряжаться только тогда, когда выходное напряжение фотоэлектрического источника достигает 14,4 В, что близко к пределу ее возможностей. Это означает, что часть времени батарея остается без подзарядки.
• Максимальное выходное напряжение солнечных батарей составляет 18 В. При таком уровне напряжения зарядный ток будет слишком высоким, что может быстро разрушить батареи.

Для предотвращения указанных сложностей необходим контроллер заряда. Наиболее распространенные модели — это PWM и MPPTR (максимальный отслеживатель мощности).

ШИМ-контроллер заряда

Регулятор, работающий на основе ШИМ (широтно-импульсная модуляция), обеспечивает стабильное выходное напряжение. Это гарантирует, что аккумулятор будет максимально заряжен и не перегреется в процессе зарядки.

МРРТ-контроллер заряда

MPRT (Maximum Power Point Tracker) меняет значение выходного напряжения и тока так, чтобы максимально использовать потенциал солнечного элемента независимо от уровня яркости солнечного света. Если свет становится менее ярким, этот контроллер повышает выходное напряжение до уровня, необходимого для подзарядки батарей.

Современные инверторы и контроллеры заряда обычно оборудованы такой системой, что позволяет эффективно управлять процессом подзарядки и использовать солнечную энергию на максимум.

Виды аккумуляторов, используемых в батареях

Различные типы батарей, используемые для солнечных панелей, играют немаловажную роль в функционировании и эффективности солнечной энергетики.

В указанных устройствах применяются следующие типы аккумуляторов:

• Стартерные батареи,
• Гелевые аккумуляторы,
• AGM-аккумуляторы,
• Залитые (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы.

Другие типы батарей, такие как щелочные или литиевые, стоят значительно дороже и используются реже. Все рассматриваемые типы аккумуляторов могут функционировать в температурных диапазонах от +15 до +30 градусов Цельсия.

Стартерные аккумуляторы

Это самый распространенный тип батарей. Их ценовая доступность обусловлена высоким током саморазряда. Поэтому такие батареи разряжаются даже после нескольких пасмурных дней без подзарядки.

Слабая сторона этих устройств заключается в том, что во время работы они выделяют газы, поэтому их следует размещать в непригодных для жизни, хорошо проветриваемых помещениях.

Кроме того, продолжительность их службы составляет всего 1,5 года, особенно при наличии многократных циклов зарядки и разрядки, что в долгосрочной перспективе делает их не самым выгодным вариантом.

Гелевые аккумуляторы

Гелевые аккумуляторы — это необслуживаемые устройства. В процессе работы они не греются и не выделяют газов, что позволяет устанавливать их в жилых помещениях и закрытых пространствах.

Эти устройства обеспечивают высокий выходной ток, имеют хорошую емкость и низкий ток саморазряда.

Однако их стоимость опять же может оказаться довольно высокой, что вместе с коротким сроком службы также стоит учитывать при выборе.

AGM батареи

Батареи типа AGM обладают множеством преимуществ, несмотря на свою короткую рабочую жизнь:

• Они не теряют заряд во время работы,
• не горят во время хранения,
• обеспечивают множество циклов зарядки и разрядки (около 600 циклов),
• обладают способностью к быстрой зарядке (всего за 8 часов),
• представляют собой надежные источники энергии даже при частично заряженных состояниях.

Заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы

Эти устройства считаются наиболее надежными и имеют очень длительный срок службы. Они обладают низким током саморазряда и высокой энергоемкостью, что делает их очень востребованными для установки в фотоэлектрических системах.

Как определить размер и количество фотоэлементов?

Необходимое количество фотоэлементов и их размер зависят от напряжения, тока и мощности, которая требуется от батареи. Напряжение одного фотоэлемента составляет 0,5 В в солнечный день, но в облачную погоду эту величину можно значительно уменьшить. Для подзарядки аккумуляторов с напряжением 12 В последовательно соединяют 36 фотоэлементов. Для батарей с напругой 24 В требуется 72 элемента и так далее. Общее количество элементов зависит от площади ячейки и требуемой мощности.

Один квадратный метр поверхности панели способен произвести около 150 Вт с учетом эффективности. Более точные данные можно получить из метеорологических справочников о солнечной радиации для определенной местности, а также через Интернет. Мощность устройства можно узнать из технической документации.

При создании собственной фотоэлектрической системы необходимо определить необходимое количество панелей, учитывая параметры ячейки в данном климате с расчетам урожайности.

Расчет количества солнечных модулей производится исходя из величины электроэнергии, необходимой для обеспечения работы всех систем, входящих в состав солнечных модулей.

Когда солнечные лучи попадают на фотоэлектрический элемент, образуются пары электрон-дырка, которые находятся в состоянии неравновесия. Избыточные электроны и «дырки» частично переносятся из одного слоя полупроводника в другой через p-n контакт.

Как сделать правильный выбор

Для домовладельцев, находящихся на европейском континенте, выбор предстает достаточно простым: поликристаллический или монокристаллический кремний. В случаях появления пространственных ограничений имеет смысл обратиться к monokristallicheskim панелям, тогда как при отсутствии ограничений лучше выбирать поликристаллические панели. При выборе производителя, технических параметров оборудования и дополнительных систем лучше обратиться к компаниям, обеспечивающим как распространение, так и установку комплектов. Также стоит учитывать, что качество систем от ведущих производителей почти не отличается друг от друга, что делает бесполезным акцент на ценовой политике.

Если вы решили установить свою «солнечную ферму» «под ключ», учтите, что цена панелей составляет лишь треть от общей стоимости, а срок окупаемости достигает около 10 лет:

1. Поликристаллическая модель AS-6P30, 280 Вт от Amerisolar, размеры 1640×992 мм и мощность 280 Вт станет доступным, но эффективным выбором. КПД установки составляет 17,4%. Однако в этом случае гарантия составляет всего 2 года, а цена — около 7000 рублей.
2. Блок RS 280 POLY от китайского производителя Runda имеет схожие характеристики, но стоимость еще ниже и составляет всего 6000 рублей.
3. Если площадь ограничена, стоит обратить внимание на продукт компании LEAPTON SOLAR — LP72-375M PERC, КПД равное 19,1%, при размере 1960х992 мм, мощность составляет 375 Вт. Стоимость такой батареи обойдется примерно в 10 000 рублей.
4. Более эффективный вариант с меньшими размерами — новинка от LG NeOn, мощность 340 Вт. Этот продукт имеет КПД 19,8%; его размеры составляют 1686×1016 мм, но ценник данной модели будет более чем двухкратный по сравнению со стоимостью предыдущей модели, около 16 000 рублей.
5. Для желающих инвестировать в сегмент премиум класса, тайваньская компания BenQ представляет свое монокристаллическое устройство SunForte PM096B00 мощностью 333 Вт и эффективностью 20,4% с размером 1559×1046 мм. Эквивалентная стоимость данной модели составляет удалось достигнуть почти 35 000 рублей.

Читайте также, можно ли использовать солнечную батарею для дачи, какие компоненты и материалы необходимы, а также как их выбрать.

Почему так важна эффективность

Эффективность имеет критическое значение при расчете площади, которая может быть использована для установки солнечных батарей. При сопоставимой площади, как в случае с Amerisolar AS-6P30 280 Вт (1,63 кв. м) и LG NeOn 340 Вт (1,71 кв. м), разница в эффективности на квадратный метр составляет 15,6%. Хотя на первый взгляд это может показаться нестоль значительным, разница в цене может превышать двукратное соотношение. Тем не менее, в условиях ограниченного пространства или более агрессивной внешней среды это может сильно повлиять на решение, и вы можете отдать предпочтение продукции надлежащего производителя.

Повышение эффективности показывает не только качество технологий, но и надежность используемых строительных материалов. Это важный момент, который также влияет на срок службы блоков и устойчивость панелей к деградации. Не забывайте также о гарантии, предоставляемой производителем. Наличие сервисов и структур по обслуживанию гарантии по всему миру является преимуществом для покупателей, так как это подтверждает более лояльный подход к клиентам.

Где купить

Солнечные панели можно приобрести в специализированных магазинах или через интернет-магазины. Один из недорогих и удобных вариантов — покупка через Aliexpress. Для некоторых панелей есть возможность выбрать доставку с российских складов, что обеспечивает мгновенную доставку товара, поэтому при оформлении заказа стоит выбирать опцию «Доставка из Российской Федерации».

Если вы рассматриваете установку солнечной системы как выгодную инвестицию, лучше всего обратить внимание на модели с более низкой эффективностью. Если система будет установлена в доме, рекомендуем искать панели от более надежных производителей, которые обеспечивают более высокую долговечность производственной станции в длительном периоде (более 5 лет).