Как устроены солнечные панели батареи

Как устроены и работают солнечные батареи

Солнечная энергетика становится все более популярной во всем мире. Вместе с коллегами из специализированного портала Elektrik мы разбирались, как устроена солнечная батарея, из чего она состоит и куда отправляется получаемая энергия.

В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях (в научной литературе они называются фотоэлектрическими панелями).

Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи – это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании.

В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: непосредственно, солнечной батареи (генератора постоянного тока), аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.

Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей.

Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые – 15%.

Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею.

Электродвижущая сила отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока.

Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую либо нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки. Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением Pн = IнUн, где Uн напряжение на зажимах батареи.

Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему коэффициенту полезного действия (кпд) преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности.

Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток.

Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит в выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи.

Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а электродвижущая сила — последовательно включенных солнечных элементов. Так, комбинируя типы соединения, собирают батарею с требуемыми параметрами.

Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает.

Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи.

При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов они шунтируются и ток через них не идет.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока.

Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.

При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда.

Это процесс контролируется специальным контроллером. При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда.

При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.

Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов – гелевых (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовыех батарей, которые сделанны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей – 10 — 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается!

Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность.

Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечной батарей можно использовать специальные устройства – инверторы.

Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.

Источник

Что собой представляет и как работает солнечная батарея

Содержание:

Ежесекундно огромное количество солнечной энергии поступает на поверхность нашей планеты, давая жизнь всему живому. Достойной задачей для пытливых умов является решение, которое заставило бы ее служить нуждам людей. И это уже пытаются воплотить в жизнь те, кто изобрел конструкцию солнечной батареи, способной преобразовывать солнечный свет в электрическую энергию.

Понять, как работает солнечная батарея, легче на примере конструкции, в основе которой лежит монокристаллический кремний.

Как устроена солнечная батарея

Два слоя кремния с разными физическими свойствами образуют тонкую пластину. Внутренний слой – монокристаллический чистый кремний с р-типом проводимости, который покрыт снаружи слоем кремния «загрязненного». Это может быть, к примеру, примесь фосфора. Он обладает проводимостью n-типа. Тыльная сторона пластины покрыта сплошным металлическим слоем.

В каркасе фотоэлементы закреплены таким образом, чтобы можно было заменить, вышедший из строя. Вся конструкция покрыта закаленным стеклом или пластиком, которые ее защищают от негативного воздействия внешних факторов.

Принцип работы солнечной батареи

В результате перетечки зарядов на границе p- и n- слоев, в n-слое образуется зона нескомпенсированного положительного заряда, а в p-слое – отрицательного заряда, т.е. известный всем из школьного курса физики p-n-переход. Разность потенциалов, возникающая на переходе контактная разность потенциалов (потенциальный барьер) препятствует прохождению электронов с p-слоя, но беспрепятственно пропускает неосновные носители в направлении противоположном, что позволяет получить фото-ЭДС при попадании на ФЭП солнечного света.

При облучении солнечным светом, поглощенные фотоны начинают генерировать неравновесные электронно-дырочные пары. Генерируемые же вблизи перехода электроны, из p-слоя переходят в n-область.

Аналогичным образом попадают в p-слой избыточные дырки и слоя n (рисунок а). Получается, что в p-слое накапливается положительный заряд, а в n- слое – отрицательный, вызывая напряжение во внешней цепи (рисунок б). У источника тока есть два полюса: положительный — p-слой и отрицательный — n-слой.

Это основной принцип работы солнечный элементов. Электроны, таким образом, будто бегают по кругу, т.е. выходят из p-слоя и возвращаются в n-слой, проходя нагрузку (аккумулятор).

Фотоэлектрический отток в однопереходном элементе обеспечивают лишь те электроны, которые обладают энергией выше, чем ширина некой запрещенной зоны. Те же, которые обладают меньшей энергией, в этом процессе не участвуют. Это ограничение снять позволяют структуры многослойные, состоящие из более чем один СЭ, у которых ширина запрещенной зоны различная. Их называют каскадными, многопереходными или тандемными. Фотоэлектрическое преобразование у них выше за счет того, что работают такие СЭ с более широким солнечным спектром. В них фотоэлементы располагаются по мере уменьшения ширины запрещенной зоны. Солнечные лучи вначале попадают на фотоэлемент с самой широкой зоной, при этом происходит поглощение фотонов с наибольшей энергией.

Затем, фотоны, пропущенные верхним слоем, попадают на следующий элемент и т.д. В области каскадных элементов основным направлением исследования является использование в качестве одного компонента или нескольких арсенида галлия. У таких элементов эффективность преобразования составляет 35%. Элементы соединяют в батарею, поскольку изготовить отдельный элемент большого размера (следовательно, и мощности) не позволяют технические возможности.

Солнечные элементы способны работать длительное время. Они себя зарекомендовали как стабильный и надежный источник энергии, пройдя испытания в космосе, где главной опасностью для них является метеорная пыль и радиация, которые приводят к эрозии кремниевых элементов. Но, поскольку, на Земле эти факторы не оказывают на них столь негативного действия, можно предположить, что срок службы элементов будет еще более продолжительным.

Солнечные батареи уже находятся на службе человека, являясь источником питания для различных устройств, начиная от мобильных телефонов и заканчивая электромобилями.

И это уже вторая попытка человека обуздать безграничную солнечную энергию, заставив работать ее себе во благо. Первой попыткой было создание солнечных коллекторов, электричество в которых вырабатывалось за счет нагрева сконцентрированными лучами солнца воды до температуры кипения.

Термальная солнечная электростанция в Испании (город Севилья)

Преимущество солнечных батарей в том, что они непосредственно производят электричество, теряя энергии намного меньше, чем солнечные многоступенчатые коллекторы, в которых процесс ее получения связан с концентраций лучей Солнца, нагревом воды, выделением пара, вращающего паровую турбину и только после этого выработке генератором электричества. Основные параметры солнечных батарей – в первую очередь, мощность. Затем важно, каким запасом энергии они обладают.

Зависит этот параметр от емкости аккумуляторов и их числа. Третьим параметром является пиковая мощность потребления, означающая количество одновременно возможных подключений приборов. Еще одним важным параметров является номинальное напряжение, от которого зависит выбор дополнительного оборудования: инвертора, солнечной панели, контроллера, аккумулятора.

Виды солнечных батарей

Все солнечные панели кажутся на первый взгляд одинаковыми – покрытые стеклом темные элементы с металлическими полосками, проводящими ток, помещенными в алюминиевую раму.

Но, солнечные батареи классифицируют по мощности вырабатываемого ею электричества, зависит которая от конструкции и площади панели (они могут быть миниатюрными пластинками с мощностью до десяти ватт и широкими «листами» на двести и более ватт).

Кроме этого, различаются они по типу образующих их фотоэлементов: фотохимические, аморфные, органические, а также созданные на основе кремниевых полупроводников, у которых коэффициент фотоэлектрического преобразования в несколько раз больший. Следовательно, больше и мощность (особенно во время солнечной погоды). Конкурентом последних может быть солнечная батарея на основе арсенида галлия. То есть, на рынке сегодня встретить можно пять типов солнечных батарей.

Они отличаются материалами, используемыми для их изготовления:

1. Панели из поликристаллических фотоэлектрических элементов, с характерным синим цветом солнечной панели, кристаллической структурой и КПД, равным 12-14%.

2. Панели из монокристаллических элементов – более дорогие, но и более эффективные (КПД – до 16%).

3. Панели солнечные из аморфного кремния, у которых КПД самый низкий – 6-8%, но вырабатывают они наиболее дешевую энергию.

Панель из аморфного кремния

4. Панели из теллурида кадмия, создаваемые по пленочным технологиям (КПД – 11%).

Панель, в основе которой лежит теллурид кадмия

5. Наконец, солнечные панели на основе полупроводника CIGS, состоящего из селена, индия, меди, галлия. Технологии их получения тоже пленочные, но КПД доходит до пятнадцати процентов.

Панель солнечная на основе CIGS

Кроме этого, панели солнечные могут быть гибкими и портативными.

Гибкие солнечные батареи

Очень удобными являются гибкие панели, которые легко сворачиваются в рулон, словно обычная бумага. Хотя стоимость их выше, чем твердотельных аналогов, они на рынке заняли свою нишу. В основном они пользуются спросом у туристов и путешественников, которым в условиях отсутствия электрификации необходимо заряжать мобильные гаджеты. Главным производителем гибких батарей, работающих от солнечной энергии, является компания Sun Charger, которая, к слову, недавно обновила свой модельный ряд моделями 34 Вт и 9Вт.

Первая модель подходит для питания планшетов, сотовых телефонов, видеокамер, цифровых фотоаппаратов, GPS, гелевых аккумуляторов 6 и 12 вольт, т.е. она может в условиях похода обеспечить потребности нескольких человек.

SunCharger SC-9/14 — батарея в сложенном виде

Она же — в раскрытом виде

Особенности батареи: компактная складывающая конструкция, работающая в диапазоне температур от -50 до +70 градусов, вес которой всего 420 граммов, снабжена антибликовым покрытием, встроенным светодиодом, люверсами для крепления. Выходной разъем круглый (5.5 мм / 2.1 мм.).

Характеристики электрические: рабочее выходное напряжение 13,5 В (стандартное 12В), без нагрузки – 19В; рабочий выходной ток – 0,65 А; габариты в сложенном и развернутом виде — 20.5х15х3 см и 50х41.5х0.4 см; мощность выходная – 8,6 Вт.

Выходной разъём SunCharger SC-9/14

Вторая модель SunCharger SC-34/18 на сегодняшний день является в линейке гибких солнечных батарей самой мощной. Разработана она специально для универсальных накопителей (ноутбуков), имеющих на входе зарядки, как правило, 17-19 вольт. Максимальная мощность – 18В. К накопителям она подключается напрямую, что обеспечивает идеальное согласование. Понятно, что для менее «прожорливых» накопителей она также подходит, в том числе для двенадцати вольтовых свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях.

Солнечная батарея выдает 18 В в точке своей максимальной мощности и напрямую подключается к этим накопителям. Таким образом, она «идеально» с ними согласована.

Естественно, эта батарея подходит и для зарядки менее прожорливых потребителей. Как известно, мощности мало не бывает. А также спокойно заряжает 12 В свинцовые аккумуляторы, в том числе, и автомобильные (через несколько часов зарядки уже можно завести машину). Толщина ее 4 см (т.е. стала чуть больше), но получилась батарея даже немного компактнее, чем обычные батареи на 12 В.

Солнечная гибкая батарея (модель SunCharger SC-34/18)

Достигнуто это за счет более тонкой ткани, используемой в ее производстве и ламинированных фотоэлементов большей площади.

Эта же батарея в раскрытом виде

Помимо особенностей, характерных для предыдущей модели, здесь имеются на выходе помимо круглого разъема, еще «мама» и «папа».

Электрические характеристики: мощность выходная, как понятно из маркировки, 34 Вт; рабочий выходной ток – 1.9 А; габариты 40х18х4 см (в сложенном виде) и 40х18х4 см (в раскрытом). Напряжение на выходе – 18 В и 26 В (без нагрузки). Вес, конечно, намного больше – 1,7 кг.

Портативная солнечная батарея – специально для туристов

У каждого в наше время есть электронные гаджеты. Не суть, что у кого-то их меньше, а кого-то больше. Все их необходимо заряжать, а для этого нужны зарядные устройства. Но, особенно остро этот вопрос касается тех, кто попадает в места, где отсутствует электропитание. Единственным выходов являются солнечные батареи. Но, цены на них остаются высокими, а выбор — небольшим. Оптимальным вариантом, как принято считать, является продукция компании Goal Zero (хотя есть и российская продукция, и китайская – как всегда вызывающая сомнении).

Но, оказалось, что не все то плохо, что сделано в Китае или Корее. Особенно порадовала солнечная батарея компания YOLK из Чикаго, которая начала производство компактной солнечной батареи Solar Paper – самой тонкой и легкой. Ее вес всего 120 граммов. Но есть и другие преимущества – модульная конструкция, позволяющая наращивать мощность. Солнечная батарея похожа на пластиковую коробку, по размерам напоминающую Ipad, только тоньше в два раза. На ее лицевой стороне размещена солнечная панель. Есть на корпусе выход для ноутбука и порты USB и для подключения других солнечных панелей, а также фонарик. Внутри этой чудо коробки – аккумуляторы и плата управления. Зарядить девайс можно от розетки, причем, одновременно это могут быть телефон и два ноутбука. Конечно, заряжается устройство и от солнца. Как только на него попадает свет, загорается индикатор. В походных условиях солнечная панель просто незаменима: с успехом заряжает все нужные устройства – телефоны быстрее, ноутбуки.

Портативные солнечные батареи отличаются компактными размерами: они выпускаются даже в виде брелков, прикрепить которые можно к чему угодно. Разрабатывались они для того, чтобы можно было их взять на рыбалку, в поход и пр. Обязательно у них имеется фонарик, чтобы ночью можно было осветить дорогу, палатку и т.д., крепления, позволяющие легко их разместить на рюкзаках, байдарках, палатках. Очень важно, чтобы в таком устройстве был встроенный аккумулятор, позволяющий заряжать девайсы и в ночное время.

Эффективность солнечных батарей

Ученые работают над тем, чтобы увеличить коэффициент полезного действия, но пока лидируют по этому показателю солнечные панели из монокристаллических элементов. Состоящие из нескольких слоев — монокристаллические панели, устроены так, что один из слоев поглощает энергию зеленого цвета, другой – красного, третий – синего. Но, стоимость таких панелей очень высокая.

Производство солнечных батарей

Солнечная батарея состоит, как известно, из нескольких обязательных частей. Основой основ у нее, подобно двигателю у машины или сердцу у человека, является солнечная панель – прозрачный прямоугольный короб с темными квадратиками тонко нарезанного кремния внутри. Кремний, используемый в производстве, а точнее его оксид (соединение с кислородом) – основной элемент производства солнечных батарей.

Технологии, лежащие в основе производства солнечных батарей, все время совершенствуются и состоят из нескольких этапов.

• На первом этапе подготавливают сырье: очищают кварцевый песок, прокаливая его с коксом. В результате он освобождается от кислорода, превращаясь в куски чистого кремния, напоминающие чем-то уголь. Затем, из него выращивают кристаллы – основу солнечных панелей, упорядочив структуру кремния. Для этого чистый кремний опускают в тигель, нагревают до высокой температуры, добавляя в расплавленную лаву затравку. Можно сравнить ее с образцом будущего кристалла, вокруг которого, слой за слоем нарастает кремний упорядоченной структуры. После нескольких часов роста получается кристалл монокремния (или поликристаллический кремний, процесс получения которого более затратный, что сказывается на цене солнечных батарей из него), напоминающий большую сосульку. Затем заготовку цилиндрическую превращают в параллелепипед. После этого заготовку режут на пластины толщиной 100-200 микрон (толщина трех человеческих волос), тестируют их, сортируют и направляют на следующую стадию обработки.
• На втором этапе пластина паяют в секции, их которых на стекле формируют блоки, чтобы исключить возможность механического воздействия на готовые солнечные элементы. Секции обычно состоят из 9-10 солнечных элементов, блоки – из 4-6 секций.
• Третий этап заключается в ламинировании спаянных в блоки пластин этиленвинилацетатной пленкой, а затем защитным покрытием, который осуществляется с помощью компьютера, который следит за давлением, вакуумом и температурой.
• Четвертый этап заключительный. Во время него монтируется соединительная коробка и алюминиевая рама. Вновь проводят тестирование, во время которого измеряют показатели напряжение холостого хода, ток короткого замыкания, напряжение и ток точки максимальной емкости.

Лидерами среди предприятий, производящих солнечные батареи, являются страны: Китай (компании Trina Solar, Yingli, Suntech), Япония (Sharp Solar) и США (First Solar), которая не только их производит, но также участвует в проектировании солнечных станций и их строительстве. Мощнейшая в мире СЭС Агуа-Калиенте в Аризоне – дело рук этой компании. Строительством крупнейшей СЭС «Перово» в Украине занималась компания Австрии (Activ Solar).

Использование солнечных батарей производства Suntech для освещения стадиона в Пекине

Сколько стоит солнечная батарея

Продажа солнечных батарей – дело выгодное и перспективное. Объем продаж увеличивается ежегодно. На первом месте по продажам – китайские производители, продукция которым отличается низкой стоимостью. Такая ситуация привела к банкротству крупных немецких брендов, стоят которые вдвое дороже китайских солнечных батарей.

Стоимость солнечных батарей зависит от производителя и мощности, и имеет огромный разброс – от 1800 грн. до 9000 грн. (для Украины), от 5 тыс. рублей до 30 тысяч (для России). Стоимость этих батарей SunCharger SC- 9/14 и SunCharger SC-34/18 тоже высокая (надо же платить за отличные характеристики). Она составляет соответственно 6100 и 20700 рублей . Но, в сравнении с гибкой батареей фирмы AcmePower 32 Вт, цена за которую равна 27 тысяч рублей , эта батарея гораздо дешевле.

Солнечная батарея SunCharger SC- 9/14

Солнечная батарея SunCharger SC-34/18

Кто желает сэкономить, могут приобрести солнечные кристаллические складные батареи по цене в 2,5 раза меньшей.

Выводы

Фантастические идеи постепенно становятся реальностью. Вспомним хотя бы микрокалькулятор на фотоэлементах, казавшийся когда-то диковинкой, позволявшей годами не менять батарейку. Изобретение последних лет – мобильник со встроенной солнечной панелью, автомобили и самолеты, передвигающиеся благодаря, все той же, энергии Солнца. Солнечные батареи в будущем, непременно станут основным источником энергии, «вылечив», наконец, все гаджеты от «розеткозависимости» и подарив человечеству дешевую энергию.

Источник