Из чего состоят элементы солнечная панель. Солнечные батареи. Виды и устройство. Работа и применение. Технология, по которой изготовлена солнечная батарея, влияет на её КПД

Во все времена человечество стремилось использовать по максимуму блага предоставленные природой. Доказательство тому изобретённые солнечные батареи. Принцип работы солнечных батарей достаточно прост. Именно благодаря им ранее наши калькуляторы работали в любое время суток, летом и зимой, вне зависимости от вида и частой смены батарейки. Современный мир характеризуется применением солнечной энергии в разных сферах и масштабах, начиная от актуальных планшетов и заканчивая самолётами. О том, как устроена солнечная батарея, её виды и принцип работы Вас проинформирует данная статья.

Немного из истории
Классификация

Немного из истории

Как известно, солнечная батарея является не первым изобретением, использующим всеохватывающую энергию Солнца в качестве альтернативы электрической энергии. Первые попытки применения солнечного света — терминальные электростанции, которые имеют более распространённое название как «коллекторы». Принцип их действия заключался в нагревании воды до 100 ° С при помощи солнечных лучей, итогом чего становилась выработка электричества. Работа коллекторов состояла из многоступенчатой трансформации энергии: скопление солнечных лучей, кипячение жидкости, образование пара, движение парового двигателя и преобразование тепловой энергии в механическую.

В отличие от коллектора солнечная батарея напрямую трансформируют продукцию Солнца в электрическую энергию. Также следует отметить такую особенность солнечной батареи, как использование света, а не тепла, что позволяет образовывать электроэнергию даже зимой.

На сегодняшний день принцип работы этих приспособлений основывается на преобразовании действия лучей в электрический ток (фотоэлектрический эффект) при помощи специальных полупроводников, которые и составляют всю батарею.

Первооткрывателями фотоэлектрического эффекта являются три заслуженных учёных физика. Само явление такового процесса описал физик французского происхождения — Александр Эдмон Беккерель в 1839 году. Далее в 1873 году был открыт первый полупроводник для осуществления действия фотоэлектрического эффекта английским инженером-электриком Уиллоуби Смит. А более подробно были описаны принцип работы, схема солнечной батареи и подтверждены законы предыдущих открывателей в 1905 году всемирно известным лауреатом Нобелевской премии Альбертом Эйнштейном.

Определение и основы трансформации энергии

Устройство солнечной батареи состоит из пластины, оснащённой цепочкой соединённых полупроводников (фотоэлементов). Фотоэлементы выполняют функцию преобразования солнечного света в электрический ток. Поэтому для того, чтобы понять принцип действия данного приспособления, следует изучить его основы, а именно фотоэлементы.

Фотоэлементы – полупроводники, трансформирующие действие квантов электромагнитного излучения, способных двигаться лишь со скоростью света, в электрическую энергию. Процесс данной трансформации называется фотоэлектрическим эффектом, появляющимся под воздействием солнечного света на структуры фотоэлемента. Особенность структуры заключается в неоднородности, которую создают при помощи сплавов различных материалов и примесей для изменения её свойств с точки зрения физики и химии.

Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют "Экономитель энергии Electricity Saving Box". Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.

Эти самые примеси создают отрицательные и положительные переходы (р- n), которые являются основой работы двух полупроводников и проводимости между ними. Помимо этого метода, образующего неоднородность структуры фотоэлементов, применяются также такие:

объединение, различающихся по ширине запрещённой зоны, полупроводников;
изменение химического состава фотоэлемента с целью образования варизонной структуры;
комбинирование вышеперечисленных способов.

Трансформация энергии напрямую зависит от физических и электрических свойств структуры и электрической проводимости полупроводников (фотопроводимость). Фотоэлемент состоит из разного типа электронов и слоёв их. В качестве электрода, на котором возникает заряд, выступает отрицательный тип, и соответственно, анодом (приёмником) этого заряда является положительный тип. Накопление солнечной энергии происходит таким образом: выходящие из отрицательного слоя под воздействием солнечных лучей, электроны принимают аноды. Выходя из слоя положительных электронов, они возвращаются в исходное место. Далее действия повторяются. Ввиду чего энергия Солнца остаётся внутри устройства.

Классификация

В зависимости от материала и метода изготовления различают такие виды солнечных батарей: кремниевые и плёночные.

Кремневые батареи – приспособления, основным действующим материалом которых является кремний. Кремний характеризуется высокой производительностью сравнительно с другими материалами, используемыми для создания данных устройств, поэтому пользуется большим спросом. По своей структуре кремниевые устройства делятся на три подвида:

Плёночные устройства делятся на такие виды:

на основе теллурида кадмия с использованием плёночного технологии;
на основе сплава меди, индия и селена, КПД таких устройств составляет 16-20%;
полимерные плёночные устройства, производимые из органических фотоэлементов, КПД их составляет 5-6 %.

Схема подключения солнечных батарей заключается в расчете нагрузки и настройке контролёра заряда. Самую простую схему можно рассмотреть на примере садового фонаря. Такие садовые фонари постепенно обретают широкое распространение за счёт яркого освещения дорожек, газонов и приусадебных участков. Зимой свет садовых фонарей на солнечном питании отличается меньшей яркостью, чем в другую пору. Схема в данном случае состоит из светочувствительного элемента, накопительного аккумулятора, солнечной батареи.

На сегодняшний день ведутся разработки по производству масштабных полей солнечных батарей на территории Антарктики. Такие электростанции будут накапливать энергии в течение полугодового полярного дня, наступающего на северных территориях – в летнее время, а на юге – в зимнее. Солнечная энергия является достойной альтернативой электрическому току, поэтому спектр её применения широк. Батареи, работающие от солнечного света, используют даже для производства космических аппаратов.

Эффективное преобразование бесплатных лучей солнца в энергию, которую можно использовать для электроснабжения жилья и иных объектов, – заветная мечта многих апологетов зеленой энергетики.

Но принцип работы солнечной батареи, и ее КПД таковы, что о высокой эффективности таких систем пока говорить не приходится. Было бы неплохо обзавестись собственным дополнительным источником электроэнергии. Не так ли? Тем более что уже сегодня и в России с помощью гелиопанелей “дармовой” электроэнергией успешно снабжается немалое количество частных домохозяйств. Вы все еще не знаете с чего начать?

Ниже мы расскажем вам об устройстве и принципах работы солнечной панели, вы узнаете, от чего зависит эффективность гелиосистемы. А размещенные в статье видеоролики помогут собственноручно собрать солнечную панель из фотоэлементов.

В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.

По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.

Максимум отдачи от солнечной панели можно будет получить, только зная, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как все это правильно подключается

Вначале следует разобраться в существующих разновидностях оборудования для гелиоэнергетики. Солнечные батареи и солнечные коллекторы – это два принципиально разных устройства. Оба они преобразуют энергию лучей солнца.

Однако в первом случае на выходе потребитель получает энергию электрическую, а во втором тепловую в виде нагретого теплоносителя.

Второй нюанс – это понятие самого термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается некое аккумулирующее электроэнергию устройство. Либо на ум приходит банальный отопительный радиатор. Однако в случае с гелиобатареями ситуация кардинально иная. Они ничего в себе не накапливают.

Солнечной панелью генерируется постоянный электроток. Чтобы преобразовать его в переменный (используемый в быту), в схеме должен присутствовать инвертор

Солнечные батареи предназначены исключительно для генерации электрического тока. Он, в свою очередь, накапливается для снабжения дома электричеством ночью, когда солнце опускается за горизонт, уже в присутствующих дополнительно в схеме энергообеспечения объекта аккумуляторах.

Батарея здесь подразумевается в контексте некой совокупности однотипных компонентов, собранных в нечто единое целое. Фактически это просто панель из нескольких одинаковых фотоэлементов.

Внутреннее устройство гелиобатареи

Постепенно солнечные батареи становятся все дешевле и эффективней. Сейчас они применяются для подзарядки аккумуляторов в уличных фонарях, смартфонах, электроавтомобилях, частных домах и на спутниках в космосе. Из них стали даже строить полноценные солнечные электростанции (СЭС) с большими объемами генерации.

Гелиобатарея состоит из множества фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей ФЭП), преобразующих энергию фотонов с солнца в электроэнергию

Каждая солнечная батарея устроена как блок из энного количества модулей, которые объединяют в себе последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Чтобы понять принципы функционирования такой батареи, необходимо разобраться в работе этого конечного звена в устройстве гелиопанели, созданного на базе полупроводников.

Виды кристаллов фотоэлементов

Вариантов ФЭП из разных химических элементов существует огромное количество. Однако большая их часть – это разработки на начальных стадиях. В промышленных масштабах сейчас выпускаются пока что только панели из фотоэлементов на основе кремния.

Кремниевые полупроводники используются при изготовлении солнечных батарей из-за своей дешевизны, особо высоким КПД они похвастаться не могут

Обычный фотоэлемент в гелиопанели – это тонкая пластина из двух слоев кремния, каждый из которых имеет свои физические свойства. Это классический полупроводниковый p-n-переход с электронно-дырочными парами.

При попадании на ФЭП фотонов между этими слоями полупроводника из-за неоднородности кристалла образуется вентильная фото-ЭДС, в результате чего возникает разность потенциалов и ток электронов.

Кремниевые пластины фотоэлементов различаются по технологии изготовления на:

Монокристаллические.
Поликристаллические.

Первые имеют более высокий КПД, но и себестоимость их производства выше, нежели у вторых. Внешне один вариант от другого на солнечной панели можно различить по форме.

У монокристаллических ФЭП однородная структура, они выполняются в виде квадратов со срезанными углами. В отличие от них поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму.

Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого.

Но производительность в плане выработки электроэнергии из солнечных лучей у них редко превышает 15%. Связано это с “нечистотой” получаемых кремниевых пластин и внутренней их структурой. Здесь чем чище p-слой кремния, тем более высокий выходит КПД у ФЭП из него.

Чистота монокристаллов в этом отношении гораздо выше, нежели у поликристаллических аналогов. Их делают не из расплавленного, а из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования у таких ФЭП уже достигает 20-22%.

В общий модуль отдельные фотоэлементы собираются на алюминиевой раме, а для защиты их сверху закрывают прочным стеклом, которое нисколько не препятствует солнечным лучам

Обращенный к солнцу верхний слой пластинки-фотоэлемента делается из того же кремния, но уже с добавлением фосфора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

Принцип работы солнечной панели

При падении солнечных лучей на фотоэлемент в нем генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и «дырки» частично переносятся через p-n-переход из одного слоя полупроводника в другой.

В итоге во внешней цепи появляется напряжение. При этом на контакте p-слоя формируется положительный полюс источника тока, а на n-слоя – отрицательный.

Разность потенциалов (напряжение) между контактами фотоэлемента появляется из-за изменения числа «дырок» и электронов с разных сторон p-n-перехода в результате облучения n-слоя солнечными лучами

Подключенные к внешней нагрузке в виде аккумулятора фотоэлементы образуют с ним замкнутый круг. В результате солнечная панель работает, как своеобразное колесо, по которому вместе белки “бегают” электроны. А аккумуляторная батарея при этом постепенно набирает заряд.

Стандартные кремниевые фотоэлектрические преобразователи являются однопереходными элементами. Переток в них электронов происходит только через один p-n-переход с ограниченной по энергетике фотонов зоной этого перехода.

То есть каждый такой фотоэлемент способен генерировать электроэнергию только от узкого спектра солнечного излучения. Вся остальная энергия пропадает впустую. Поэтому-то и эффективность у ФЭП так низка.

Чтобы повысить КПД солнечных батарей, кремниевые полупроводниковые элементы для них в последнее время стали делать многопереходными (каскадными). В новых ФЭП переходов уже несколько. Причем каждый из них в этом каскаде рассчитан на свой спектр солнечных лучей.

Суммарная эффективность преобразования фотонов в электроток у таких фотоэлементов в итоге возрастает. Но и цена их значительно выше. Здесь либо простота изготовления с невысокой себестоимостью и низким КПД, либо более высокая отдача вкупе с высокой стоимостью.

Солнечная батарея может работать как летом, так и зимой (ей нужен свет, а не тепло) – чем меньше облачность и ярче светит солнце, тем больше гелиопанель сгенерирует электрического тока

При работе фотоэлемент и вся батарея постепенно греется. Вся та энергия, что не пошла на генерацию электротока, трансформируется в тепло. Часто температура на поверхности гелиопанели поднимается до 50–55 0 С. Но чем она выше, тем менее эффективно работает фотогальванический элемент.

В итоге одна и та же модель солнечной батареи в жару генерирует тока меньше, нежели в мороз. Максимум КПД фотоэлементы показывают в ясный зимний день. Тут сказываются два фактора – много солнца и естественное охлаждение.

При этом если на панель будет падать снег, то электроэнергию она генерировать все равно продолжит. Более того, снежинки даже не успеют на ней особо полежать, растаяв от тепла нагретых фотоэлементов.

Эффективность батарей гелиосистемы

Один фотоэлемент даже в полдень при ясной погоде выдает совсем немного электроэнергии, достаточной разве что для работы светодиодного фонарика.

Чтобы повысить выходную мощность, несколько ФЭП объединяют по параллельной схеме для увеличения постоянного напряжения и по последовательной для повышения силы тока.

Эффективность солнечных панелей зависит от:

температуры воздуха и самой батареи;
правильности подбора сопротивления нагрузки;
угла падения солнечных лучей;
наличия/отсутствия антибликового покрытия;
мощности светового потока.

Чем ниже температура на улице, тем эффективней работают фотоэлементы и гелиобатарея в целом. Здесь все просто. А вот с расчетом нагрузки ситуация сложнее. Ее следует подбирать исходя из выдаваемого панелью тока. Но его величина меняется в зависимости от погодных факторов.

Гелиопанели выпускаются с расчетом на выходное напряжение, кратное 12 В – если на аккумулятор надо подать 24 В, то две панели к нему придется подсоединить параллельно

Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться контроллером управления, который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.

Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею – прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.

Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени.

Для московского региона – это приблизительно 40–45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.

И еще один момент – пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую “грязную” преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно.

Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред.

Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.

Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.

Схема электропитания дома от солнца

Система солнечного электроснабжения включает:

Гелиопанели.
Контроллер.
Аккумуляторы.

Контроллер в этой схеме защищает как солнечные батареи, так и АКБ. С одной стороны он препятствует протеканию обратных токов по ночам и в пасмурную погоду, а с другой – защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.

Аккумуляторные батареи для гелиопанелей следует подбирать одинаковые по возрасту и емкости, иначе зарядка/разрядка будут происходить неравномерно, что приведет к резкому снижению срока их службы

Инвертор нужен для трансформации постоянного тока на 12, 24 либо 48 Вольта в переменный 220-вольтовый. Автомобильные аккумуляторы применять в такой схеме не рекомендуется из-за их неспособности выдерживать частые перезарядки. Лучше всего потратиться и приобрести специальные гелиевые AGM либо заливные OPzS АКБ.

Выводы и полезное видео по теме

Принципы работы и схемы подключения солнечных батарей не слишком сложны для понимания. А с собранными нами ниже видеоматериалами разобраться во всех тонкостях функционирования и установки гелиопанелей будет еще проще.

Доступно и понятно, как работает фотоэлектрическая солнечная батарея, во всех подробностях:

Как устроены солнечные батареи:

Сборка солнечной панели из фотоэлементов своими руками:

Каждый элемент в системе солнечного электроснабжения коттеджа должен быть подобран грамотно. Неизбежные потери мощности происходят на аккумуляторах, трансформаторах и контроллере. И их обязательно надо сократить до минимума, иначе и так достаточно низкая эффективность гелиопанелей окажется сведена вообще к нулю.

Казалось бы, совсем недавно солнечная батарея прочно ассоциировалась с космическими кораблями, орбитальными станциями и луноходами. А сейчас, устройство, способное извлекать электричество из света можно обнаружить в любом калькуляторе. Более того, в богатых солнечным светом странах с жарким летом и мягкой зимой (ученые называют их «страны с высокой инсоляцией»), таких как Италия, Испания, Португалия, южные штаты США и т.д. Солнечная энергетика является заметной статьей экономии средств на электро- и теплоснабжение. Причем экономия эта происходит как по частной инициативе граждан, так и в виде обязательных к выполнению государственных нормативных актов, как например в Испании.

Попытки заставить работать на себя энергию солнца предпринимались человечеством давно, так по легенде Архимед сжег римский флот, приказав сфокусировать множеством зеркал (в другой версии – начищенных до блеска щитов) солнечный свет на парусах римских галер. Но заметные результаты попытки подчинения энергии солнца дали только в прошлом веке. Какие же существуют пути использования солнечной энергии?

Как получить электричество

Самый очевидный путь – это преобразование световой энергии солнца в тепловую. Строго говоря, это даже преобразованием назвать нельзя, ведь свет и тепло имеют одну и ту же природу и отличаются лишь частотой, правильнее будет говорить о сборе тепла. Для сбора солнечного тепла устройства, которые так и называются - («коллектор» буквально означает сборщик). Принцип их действия предельно прост – теплоноситель (вода, реже воздух) нагревается в сделанном из теплопоглощающего материала радиаторе. Такие устройства имеют широкое применение для горячего водоснабжения частных домов.

Другой интересный способ использования энергии ближайшего светила подсказывает нам природа. За миллионы лет эволюции растения научились преобразовывать энергию солнца в энергию химических связей, синтезируя из простых веществ сложное соединение – глюкозу. Тот, кто не прогуливал в школе ботанику, конечно, догадался, что речь идет о фотосинтезе. Но не каждый задумывался об энергетической сущности этого процесса, состоящей как раз в накоплении солнечной энергии и дальнейшего ее использования (в том числе зимой) в «личных» целях. То есть речь идет о биоэнергетике. Реальной, а не той, о которой рассказывают доморощенные маги. Способ использования энергии солнца по такому принципу работы еще только ждет своего применения в рукотворной технике.

Как уже говорилось выше, самый простой способ использования в личных целях энергию солнца – это сбор тепловой энергии. Однако «самый простой» не всегда означает «самый лучший». Дело в том, что тепловая энергия – это, можно сказать, «скоропортящийся продукт». Попробуйте «законсервировать» тепло или передать его на большие расстояния. Скорее всего, затраты перекроют все возможные выгоды. Наиболее удобным для накопления и транспортировки видом энергии является электричество. Его можно без особых проблем собрать в аккумуляторах либо передать по проводам к месту, где оно будет работать, с минимальными потерями. Отсюда следует третий, самый распространенный способ использования солнечного света – преобразование его в электрическую энергию.

Как это работает

Преобразование солнечного света происходит в батареях (то есть последовательно подключенных группах) фотоэлементов, которые подучили название «солнечные батареи». По какому же принципу работают солнечные батареи?

Сердцем фотоэлемента является кремниевый кристалл. С кремнием (точнее его оксидами) мы встречаемся каждый день – это знакомый нам песок. Таким образом, можно сказать, что кремниевый кристалл – это выращенная в лаборатории гигантская песчинка. Кристаллам придают форму куба и режут на платины толщиной в двести микрон (примерно три-четыре толщины человеческого волоса).

На кремниевую пластинку с одной стороны наносят тончайший слой фосфора, с другой стороны – тончайший слой бора. Там, где кремний контактирует с бором, возникает избыток свободных электронов, а там, где кремний контактирует с фосфором, наоборот электроны в недостатке, возникают так называемые «дырки». Стык сред, обладающих избытком и недостатком электронов, называется в физике p-n переход. Фотоны света бомбардируют поверхность пластины и вышибают избыточные электроны фосфора к недостающим электронам бора. Упорядоченное движение электронов – это и есть электрический ток. Осталось только «собрать» его, проведя через пластину металлические дорожки. Так в принципе устроен кремниевый фотоэлемент.

Мощность одной пластинки-фотоэлемента довольно скромная, ее хватит разве что для работы лампочки карманного фонарика. Поэтому отдельные элементы собирают в системы-батареи. Теоретически можно собрать из элементов батарею любой мощности. Батарею укладывают на металлическую подложку, армируют для повышения прочности и накрывают стеклом. Важно, что солнечная батарея преобразует в электричество не только видимую, но и ультрафиолетовую часть солнечного спектра, поэтому стекло, покрывающее батарею обязательно должно пропускать ультрафиолет.

Важным преимуществом солнечной батареи является то, что она использует свет, а не тепло, поэтому, в отличие от коллектора, солнечная батарея может работать и зимой, лишь бы облачность не закрывала солнечный свет. Существуют проекты строительства огромных полей солнечных батарей в Арктике и Антарктике, которые будут накапливать энергию во время полугодового полярного дня, который на севере наступает летом, а на юге – зимой, то есть две гигантских солнечных электростанции никогда не будут бездействовать одновременно.

Это все в далекой перспективе, а извлечь пользу из свойств солнечной батареи можно уже сегодня, оборудовав свое жилище миниатюрной гелиоэлектростанцией. Такая станция конечно вряд ли сможет полностью удовлетворить потребности хозяйства в электричестве, но, без сомнения, станет чувствительным фактором экономии семейного бюджета.

Мы часто пишем про различные виды альтернативной энергетики, в том числе про солнечную. Этой статьей начинается цикл статей про принципы работы различных устройств работающих на возобновляемой энергии. И первое что будет рассмотрено - солнечные батареи. Солнечная энергия в последнее время используется повсюду: в естественном освещении помещений, нагрева воды, сушки и иногда даже в приготовлении пищи. Однако самым важным использованием энергии солнца является, пожалуй, генерация электричества. И главный элемент такой генерации - солнечная батарея!

Строение солнечных батарей

Солнечная батарея состоит из фотоэлементов, соединенных последовательно и параллельно. Все фотоэлементы располагаются на каркасе из непроводящих материалов. Такая конфигурация позволяет собирать солнечные батареи требуемых характеристик (тока и напряжения). Кроме того, это позволяет заменять вышедшие из строя фотоэлементы простой заменой.

Принцип работы

Принцип работы фотоэлементов из которых состоит солнечная батарея основан на фотогальваническом эффекте. Этот эффект наблюдал еще Александр Эдмонд Беккерель в 1839 году. Впоследствии работы Эйнштейна в области фотоэффекта позволили описать явление количественно. Опыты Беккереля показали, что лучистую энергию солнца можно трансформировать в электричество с помощью специальных полупроводников, которые позже получили название фотоэлементы.

Вообще такой способ получения электричества должен быть наиболее эффективным, потому что является одноступенчатым. По сравнению с другой технологией преобразования солнечной энергии через термодинамический переход (Лучи -> Нагревание воды -> Пар -> Вращение турбины -> Электричество), меньше энергии теряется на переходы.

Строение фотоэлемента

Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разной проводимостью. К слоям с разных сторон подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью (электронная проводимость), роль анода - p-слой (дырочная проводимость).

Ток в n-слоя создается движение электронов, которые «выбиваются» при попадании на них света за счет фотоэффекта. Ток в p-слое создается «движением дырок». «Дырка» - атом, который потерял электрон, соответственно, перескакивание электронов с «дырки» на «дырку» создает «движение» дырок, хотя в пространстве сами «дырки» конечно не двигаются.

На стыке слоев с n- и p-проводимостью создается p-n-переход. Получается своего рода диод, которые может создавать разность потенциалов за счет попадание лучей света.

Физический механизм действия

Когда лучи света попадают на n-слой, за счет фотоэффекта образуются свободные электроны. Кроме этого, они получают дополнительную энергию и способны «перепрыгнуть» через потенциальный барьер p-n-перехода. Концентрация электронов и дырок изменяется и образуется разность потенциалов. Если замкнуть внешнюю цепь через нее начнет течь ток.

Разность потенциалов (а соответственно и ЭДС) которую может создавать фотоэлемент зависит от многих факторов: интенсивности солнечного излучения, площади фотоэлемента, КПД конструкции, температуры (при нагревании проводимость падает).

Из чего делают фотоэлементы?

Самый первый в мире фотоэлемент появился в 1883 году в лаборатории Чарьза Фриттса. Он был изготовлен из селена, покрытого золотом. Увы, но такой набор материалов показал невысокие результаты - около 1% КПД.

Революция в использовании фотоэлементов произошла тогда, когда в недрах лаборатории компании «Bell Telephone» был создан первый элемент на кремнии. Компания нуждалась в источнике электроэнергии для телефонных станцией, и, можно сказать, была первой компанией, которая использовала альтернативный источник на солнечной энергии.

Кремний до сих пор остается основных материалом для производства фотоэлементов. Вообще кремний (Silicium, Silicon) - второй по распространенности элемент на Земле, запасы его огромны. Однако в промышленном его использовании есть одна большая проблема - его очистка. Процесс этот очень трудоемкий и затратный, поэтому чистый кремний стоит дорого. Сейчас ведется поиск аналогов, которые бы не уступали кремнию по КПД. Перспективными считаются соединения меди, индия, селена, галлия и кадмия, а также органические фотоэлементы.

Солнечные батареи (Сборки)

Однако разность потенциалов, создаваемая одним фотоэлементов, мала для промышленного применения. Чтобы иметь возможность использовать солнечные элементы для электропитания устройств, их соединяют вместе. Тем самым получаются солнечные батарей (солнечные сборки, солнечные модули). Кроме того, фотоэлементы покрывают различными защитными слоями из стекла, пластмассы, различных пленок. Это делают для того, чтобы защитить хрупкий элемент.

Основной рабочей характеристикой солнечной батареи является пиковая мощность, которую выражают в Ваттах (Вт, W). Эта характеристика показывает выходную мощность батареи в оптимальных условиях: солнечном излучении 1 кВт/м 2 , температуре окружающей среды 25 o C, солнечном спектре шириной 45 o (АМ1,5). В обычных условиях достичь таких показателей удается крайне редко, освещенность ниже, а модуль нагревается выше (до 60-70 градусов).

Соединяя фотоэлементы последовательно мы повышаем разность потенциалов, соединяя параллельно - ток. Таким образом комбинируя соединения можно добиться требуемых параметров по току и напряжению, а следовательно и по мощности. Кроме того, последовательно или параллельно можно соединять не только фотоэлементы в рамках одной солнечной батареи, но и солнечные батареи в целом.

Солнце – это неисчерпаемый источник энергии. Его можно использовать, сжигая деревья или нагревая воду в солнечных нагревателях, преобразуя полученное тепло в электроэнергию. Но есть устройства, превращающие солнечный свет в электричество напрямую. Это солнечные батареи.

Сфера применения

Есть три направления использования солнечной энергии:

Экономия электроэнергии. Солнечные панели позволяют отказаться от централизованного электроснабжения или уменьшить его потребление, а также продавать излишки электричества электроснабжающей компании.
Обеспечение электроэнергией объектов, подведение к которым линии электропередач невозможно или невыгодно экономически. Это может быть дача или охотничий домик, находящийся далеко от ЛЭП. Такие устройства используются также для питания светильников в отдаленных участках сада или автобусных остановках.
Питание мобильных и переносных устройств. При походах, поездках на рыбалку и других подобных мероприятиях есть необходимость зарядки телефонов, фотоаппаратов и прочих гаджетов. Для этого также используются солнечные элементы.

Солнечные батареи удобно применять там, куда нельзя подвести электричество

Принцип работы

Элементы солнечных батарей представляют собой пластинки из кремния толщиной 0,3 мм. Со стороны, на которую попадает свет, в пластину добавлен бор. Это приводит к появлению избыточного количества свободных электронов. С обратной стороны добавлен фосфор, что приводит к образованию «дырок». Граница между ними называется p-n переход. При попадании света на пластину, он «выбивает» электроны на обратную сторону. Так появляется разность потенциалов. Вне зависимости от размера элемента, одна ячейка развивает напряжение 0,7 В. Для увеличения напряжения, их соединяют последовательно, а для повышения силы тока – параллельно.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

В некоторых конструкциях, для увеличения мощности, над элементами устанавливались линзы или использовалась система зеркал. С уменьшением стоимости батарей такие устройства стали неактуальными.

Максимальный КПД панели, а, следовательно, и мощность, достигается при падении света под углом 90 градусов. В некоторых стационарных устройствах батарея поворачивается вслед за солнцем, но это сильно удорожает и утяжеляет конструкцию.

Принцип работы солнечной батареи

Преимущества и недостатки применения батарей

У солнечных панелей, как и у любых устройств, есть достоинства и недостатки, связанные с принципом действия и особенностями конструкции.

Достоинства солнечных батарей:

Автономность. Позволяют обеспечить электроэнергией удаленные здания или светильники и работу мобильных устройств в походных условиях.
Экономичность. Для выработки электроэнергии используется свет солнца, за который не нужно платить. Поэтому ФЭС (фотоэлектрические системы) окупаются за 10 лет, что меньше срока службы, составляющего более 30. Причем 25–30 лет – это гарантийный срок, а фотоэлектростанция будет работать и после него, принося прибыль владельцу. Конечно, необходимо учесть периодическую замену инверторов и аккумуляторных батарей, но все равно, использование такой электростанции помогает экономить средства.
Экологичность. При работе устройства не загрязняют окружающую среду и не шумят, в отличие от электростанций, работающих на других видах топлива.

Кроме достоинств, у ФЭС есть недостатки:

Высокая цена. Такая система стоит довольно дорого, особенно с учетом цены на аккумуляторные батареи и инверторы.
Большой срок окупаемости. Средства, вложенные в фотоэлектростанцию, окупятся только через 10 лет. Это больше, чем основная масса других вложений.
Фотоэлектрические системы занимают много места – всю крышу и стены здания. Это нарушает дизайн сооружения. Кроме того, аккумуляторные батареи большой емкости занимают целую комнату.
Неравномерность выработки электроэнергии. Мощность устройства зависит от погоды и времени суток. Это компенсируется установкой аккумуляторных батарей или подключением системы к сети. Это позволяет в хорошую погоду днем продавать излишки электроэнергии электрокомпании, а ночью наоборот подключать оборудование к централизованному электроснабжению.

Технические характеристики: на что обратить внимание

Главным параметром фотоэлементной системы является мощность. Напряжение такой установки достигает максимума при ярком свете и зависит от количества соединенных последовательно элементов, которое почти во всех конструкциях равно 36. Мощность зависит от площади одного элемента и количества цепочек по 36 штук, соединенных параллельно.

Кроме самих батарей, важно подобрать контроллер зарядки аккумуляторов и инвертор, преобразующий заряд аккумуляторных батарей в напряжение сети, а также сами панели.

В аккумуляторных батареях есть допустимый ток зарядки, который нельзя превышать, иначе система выйдет из строя. Зная напряжение аккумуляторов, легко определить мощность, необходимую для зарядки. Она должна быть больше мощности солнечной электростанции, иначе в солнечный день часть энергии окажется неиспользованной.

Контроллер обеспечивает заряд аккумуляторов и также должен иметь мощность, позволяющую полностью использовать энергию солнца.

К инвертору подключается оборудование, получающее энергию от ФЭС, поэтому его мощность должна соответствовать суммарной мощности электроприборов.

Виды солнечных батарей

Кроме размера и мощности, панели отличаются способом, которым изготавливаются из кремния отдельные элементы.

Внешний вид моно- и поликристаллических панелей

Элементы из монокристаллического кремния

Элементы солнечных батарей, изготовленные из монокристаллического кремния, имеют форму квадрата с закругленными углами. Это связано с технологией изготовления:

из расплавленного кремния высокой степени очистки выращивается кристалл цилиндрической формы;
после остывания у цилиндра обрезаются края, и основание из круга принимает форму квадрата с закругленными углами;
получившийся брусок разрезается на пластины толщиной 0,3 мм;
в пластины добавляются бор и фосфор и на них наклеиваются контактные полоски;
из готовых элементов собирается ячейка батареи.

Готовая ячейка закрепляется на основании и закрывается стеклом, пропускающим ультрафиолетовые лучи или ламинируется.

Такие устройства отличаются самым высоким КПД и надежностью, поэтому устанавливаются в важных местах, например, в космических аппаратах.

Фотоэлементы из мульти-поликристаллического кремния

Кроме элементов из цельного кристалла, есть устройства, в которых фотоэлементы изготавливаются из поликристаллического кремния. Технология производства похожа. Основное отличие в том, что вместо кристалла круглой формы используется прямоугольный брусок, состоящий из большого количества мелких кристаллов различных форм и размеров. Поэтому элементы получаются прямоугольной или квадратной формы.

В качестве сырья берутся отходы производства микросхем и фотоэлементов. Это удешевляет готовое изделие, но ухудшает его качество. Такие устройства имеют меньший КПД – в среднем 18% против 20–22% у монокристаллических батарей. Однако вопрос выбора достаточно сложный. У разных производителей цена одного киловатт мощности монокристаллических и поликристаллических панелей может быть одинаковой или в пользу любого вида устройств.

Фотоэлементы из аморфного кремния

В последние годы распространение получили гибкие батареи, которые легче жестких. Технология их изготовления отличается от технологии изготовления моно- и поликристаллических панелей – на гибкую основу, обычно стальной лист, напыляются тонкие слои кремния с добавками до достижения необходимой толщины. После этого листы разрезаются, к ним приклеиваются токопроводящие полоски и вся конструкция ламинируется.

Солнечные батареи из аморфного кремния

КПД таких батарей примерно в 2 раза меньше, чем у жестких конструкций, однако, они легче и более прочные за счет того, что их можно сгибать.

Такие приборы дороже обычных, но им нет альтернативы в походных условиях, когда основное значение имеет легкость и надежность. Панели можно нашить на палатку или рюкзак, и заряжать аккумуляторы во время движения. В сложенном виде такие устройства похожи на книгу или свернутый в рулон чертеж, который можно поместить в футляр, напоминающий тубус.

Кроме зарядки мобильных устройств в походе, гибкие панели устанавливаются в электромобилях и электросамолетах. На крыше такие приборы повторяют изгибы черепицы, а если в качестве основы использовать стекло, то оно приобретает вид тонированного и его можно вставить в окно дома или теплицу.

Контроллер заряда для солнечных батарей

У прямого подключения панели к аккумулятору есть недостатки:

Аккумулятор с номинальным напряжением 12 В будет заряжаться только при достижении напряжения на выходе фотоэлементов 14,4 В, что близко к максимальному. Это значит, что часть времени батареи заряжаться не будут.
Максимальное напряжение фотоэлементов – 18 В. При таком напряжении ток заряда аккумуляторов будет слишком большим, и они быстро выйдут из строя.

Для того чтобы избежать этих проблем необходима установка контроллера заряда. Самыми распространенными конструкциями являются ШИМ и МРРТ.

ШИМ-контроллер заряда

Работа ШИМ-контроллера (широтно-импульсная модуляция – англ. pulse-width modulation — PWM) поддерживает постоянное напряжение на выходе. Это обеспечивает максимальную степень заряда аккумулятора и его защиту от перегрева при зарядке.

МРРТ-контроллер заряда

МРРТ-контроллер (Maximum power point tracker – слежение за точкой максимальной мощности) обеспечивает такое значение выходного напряжения и тока, которое позволяет максимально использовать потенциал солнечной батареи вне зависимости от яркости солнечного света. При пониженной яркости света он поднимает выходное напряжение до уровня, необходимого для зарядки аккумуляторов.

Такая система есть во всех современных инверторах и контроллерах зарядки

Виды аккумуляторов, используемых в батареях

Различные виды аккумуляторов, которые можно использовать для солнечной батареи

Аккумуляторы – важный элемент системы круглосуточного электроснабжения дома солнечной энергией.

В таких устройствах используются следующие виды аккумуляторов:

стартерные;
гелевые;
AGM батареи;
заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы.

Аккумуляторы других типов, например, щелочные или литиевые дорогие и используются очень редко.

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

Стартерные аккумуляторы

Самый распространенный тип аккумуляторов. Они дешевы, но обладают большим током саморазряда. Поэтому через несколько пасмурных дней батареи разрядятся даже при отсутствии нагрузки.

Недостатком таких устройств является то, что при работе происходит газовыделение. Поэтому их необходимо устанавливать в нежилом, хорошо проветриваемом помещении.

Кроме того, срок службы таких аккумуляторов до 1,5 лет, особенно при многократных циклах заряд-разряд. Поэтому в долгосрочной перспективе эти устройства окажутся самыми дорогими.

Гелевые аккумуляторы

Гелевые аккумуляторы –изделия, не требующие обслуживания. При работе отсутствует газовыделение, поэтому их можно устанавливать в жилой комнате и помещении без вентиляции.

Такие устройства обеспечивают большой выходной ток, имеют высокую емкость и низкий ток саморазряда.

Недостаток таких приборов в высокой цене и небольшом сроке службы.

AGM батареи

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

отсутствие газовыделения при работе;
небольшими размерами;
большим количеством (около 600) циклов заряда-разряда;
быстрым (до 8 часов) зарядом;
хорошей работой при неполном заряде.

AGM батарея изнутри

Заливные (OPZS) и герметичные (OPZV) аккумуляторы

Такие устройства являются самыми надежными и имеют наибольший срок службы. Они обладают низким током саморазряда и высокой энергоемкостью.

Эти качества делают такие приборы наиболее популярными для установки в фотоэлементных системах.

Как определить размер и количество фотоэлементов?

Необходимые размер и количество фотоэлементов зависит от напряжения, силы тока и мощности, которые нужно получить от батареи. Напряжение одного элемента в солнечный день равно 0,5 В. При облачности оно намного ниже. Поэтому для зарядки аккумуляторов 12 В, соединяются последовательно 36 фотоэлементов. Соответственно, для аккумуляторов 24 В необходимо 72 элемента и так далее. Общее их количество зависит от площади одного элемента и необходимой мощности.

Один квадратный метр площади батареи, с учетом КПД, может выдать приблизительно 150 Вт. Точнее можно определить по метеорологическим справочникам, показывающим количество солнечной радиации в месте установки гелиооэлектростанции или в интернете. КПД устройства указан в паспорте.

При изготовлении фотоэлектростации своими руками необходимое количество элементов определяется по мощности одного элемента в данном климате с учетом КПД.

Расчет количества солнечных батарей исходит из необходимого электричества

Эффективность солнечных батарей зимой

Несмотря на то что зимой солнце поднимается ниже, поток света уменьшается незначительно, особенно после выпадения снега.

Основных причин, по которым солнечные элементы зимой менее эффективны три:

Меняется угол падения лучей. Для того чтобы сохранять мощность, угол наклона батареи необходимо менять хотя бы раз в сезон, а лучше каждый месяц.
Снег, особенно влажный, налипает на поверхность устройства. Его необходимо убирать сразу после выпадения.
Зимой меньше продолжительность светлого времени суток, а также больше пасмурных дней. Изменить это невозможно, поэтому приходится рассчитывать мощность батареи по зимнему минимуму.

Правила установки

Максимальная мощность панели достигается в положении, при котором солнечные лучи падают перпендикулярно. Это необходимо учитывать при установке. Важно также учесть, в какое время суток минимальная облачность. Если угол наклона крыши и ее положение не соответствуют требованиям, то оно исправляется регулировкой основания.

Между батареей и крышей должен быть воздушный зазор 15–20 сантиметров. Это необходимо для протекания дождя и предохранения от перегрева.

Фотоэлементы плохо работают в тени, поэтому следует избегать располагать их в тени от зданий и деревьев.

Электростанции из солнечных фотоэлементов – это перспективный экологически чистый источник энергии. Их широкое применение позволит решить проблемы с нехваткой энергии, загрязнением окружающей среды и парниковым эффектом.