Структурна схема солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи, что такое солнечная батарея

Солнечная батарея — это источник постоянного электрического тока от преобразованной энергии солнца при помощи фотоэлементов.

Фотоэлементы — это преобразователи энергии фотонов в ток.

Фотоны — это элементарная частица, не имеющая массы покоя.

Солнечная батарея для обеспечения бытовых потребностей в электроэнергии

История создания солнечной батареи

В 1839 году Антуаном – Сезаром была представлена батарея, которая преобразовывала энергию Солнца в ток.

В 1877 году Адамс и Дей открыли выработку электричества селеном при действии на него солнечных лучей.

В 1905 году Альберт Эйнштейн описал фотоэффект.

В 1954 году был создан элемент солнечной батареи, выполненной из кремния Гордоном Пирсоном, Кэпом Фуллером и Дэррилом Чапиным.

Виды солнечных батарей

В настоящее время солнечные батареи представлены несколькими вариантами в зависимости от типа их устройства, и от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой.

I. Классификация по типу их устройства:

II. В зависимости от материала, из которого изготовлен фотоэлектрический слой выделяют:

1. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из кремния. Они в свою очередь бывают монокристаллическими, поликристаллическими и аморфными. Монокристаллические панели достаточно дорогой вариант, но они отличаются высокой мощностью.

Поликристаллические дешевле, чем монокристаллические панели. Такие панели медленней теряют свою эффективность с увеличением сроков службы, а так же при нагревании.

Аморфные представлены в основном тонкопленочными панелями. Такое устройство солнечной батареи позволяет генерировать солнечный свет, даже в плохих погодных условиях;

2. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из теллурида кадмия;

3. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из селена;

4. Солнечные батареи, фотоэлемент которых выполнен из полимерных материалов;

5. Из органических соединений;

6. Из арсенида галлия;

7. Из нескольких материалов одновременно.

Основные типы, которые получили распространение, это многопереходные кремниевые фотоэлементы.

Фотоэлементы, выполненные из кремния, отличаются высокой чувствительностью к нагреванию, компактностью, надежностью и высоким уровнем КПД (коэффициента полезного действия).

Другие материалы не получили широкого распространения в связи с большой стоимостью.

Устройство солнечной батареи

Для того, чтобы солнечная батарея была способна преобразовывать свет солнца в ток, необходимы следующие элементы:

1. Фотоэлектрический слой, который играет роль полупроводника. Представлен двумя слоями разных по проводимости материалов. Здесь электроны способны переходить из области p(+) в область n (-). Это называется p-n переход;
2. Между двумя слоями полупроводников помещен элемент, который является по своей сути преградой для перехода электронов;
3. Источник питания. Он необходим для подключения к элементу, препятствующему переходу электронов. Он преобразовывает движение заряженных электронов, т.е. создает электрический ток. Аккумуляторная батарея. Аккумулирует и хранит энергию;
4. Контролёр заряда. Основной его функцией является подключение и отключение солнечной батареи исходя от уровня заряда. Более сложные устройства способны контролировать максимальный уровень мощности;
5. Преобразователь прямого тока в переменный (инвертор);
6. Устройство, стабилизирующее напряжение. Обеспечивает защиту системы солнечной батареи от скачков напряжения.

Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте.

Солнечный свет (лучи), попадая на фотоэлектрический слой, полупроводниковых пластин приводит к высвобождению излишних электронов из обоих слоёв (n и p). На место оставшееся после освобождения электронов в одном слое встают освобожденные электроны другого слоя. Таким образом, происходит постоянное передвижение электронов из одного слоя в другой через p-n переход.

В результате этого на внешней цепи начинает появляться напряжение. Слой p становится положительно заряженным, а слой n – отрицательно.

Аккумулятор в ходе этих действий начинает набирать заряд.

Контролёр заряда подключает солнечную батарею, если заряд аккумулятора низкий. И выключает её, в случае, когда аккумулятор заряжен. Также контролер не даёт течь обратному току в то время, когда отсутствует солнце.

Трансформатор прямого тока в переменный необходим для преобразования постоянного тока в переменный с напряжением 220 В. Он бывает двух видов:

• Сетевой тип инверторов. Обеспечивает работу только в дневное время суток и тех приборов, которые присоединены к нему самому;
• Автономный тип. Применяется в устройстве элементов солнечной батареи, с наличием аккумуляторной батареи. Они предназначены для работы систем бесперебойного питания.

Это Интересно! Солнечной энергии, выделяемой за 1 секунду, достаточно для удовлетворения потребностей всего человечества на полмиллиона лет!

Преимущества и недостатки использования солнечной батареи

К преимуществам использования солнечной батареи относят:

1. Экономическую выгоду. Электроэнергия, поставляемая от энергии солнца, бесплатная;
2. Экологическая безопасность. Работа солнечной батареи не связана с выбросом вредных веществ в атмосферу;
3. Установка системы солнечной батареи является быстро окупаемой;
4. Простота эксплуатации и установки.

К недостаткам относят:

• Дороговизна установки;
• Маленькие фотоэлементы не обеспечивают всех потребностей в электроэнергии одной семьи;
• Эффективность их работы зависит от многих факторов, таких как:
  1. Погодных условий;
  2. Температуры на улице и степени нагрева солнечной батареи;
  3. Грамотного выбора всех комплектующих для обеспечения требуемых параметров;
  4. Мощности потока света;
  5. Ориентации солнечной батареи к положению Солнца;
  6. Чистоты панелей.

Применение солнечной батареи

Постепенно происходит внедрение солнечной батареи во многие отрасли жизнедеятельности человека.

Например, солнечные батареи используются:

• В автомобилестроении;
• В промышленных объектах;
• В сельском хозяйстве;
• На военно-космических объектах;
• В бытовых нуждах;

Это Интересно! Одним из первых вариантов появления прибора с солнечной батареей был калькулятор, способный работать только при попадании на его фотоэлемент солнечных лучей.

Сейчас солнечными батареями оснащают некоторые модели походных рюкзаков. Они служат источником света, электричества в условиях отсутствия цивилизации.

Использование солнечной батареи как источника электроэнергии интересует все большее количество людей, причем не только в бытовых нуждах, но и для обеспечения электроэнергией предприятий. Для того чтобы эта система была эффективной необходимо знать ее устройство и принцип работы. Это поможет подобрать компоненты в зависимости от желаемой мощности установки.

Источник

Схема и устройство солнечных батарей

Устройство солнечных панелей и батарей позволяет использовать их для решения различных задач без необходимости больших расходов природных ресурсов, так как техника такого рода относится к возобновляемым альтернативным источникам энергии. В зависимости от размеров устройств их можно использовать как для обслуживания крупных объектов, так и в бытовых условиях.

Назначение и область применения

Организация энергоснабжения с помощью альтернативных источников питания сегодня явление не редкое. Устройство солнечных разнотипных батарей позволяет использовать их в сельском хозяйстве, промышленности и даже на военно-космических объектах. Такое решение очень часто применяется и в бытовых условиях для обеспечения электричеством всего дома.

Смотрим видео, сфера использования альтернативных источников энергии:

Альтернативные источники энергии являются одним из способов организации энергоснабжения на удаленных территориях, где отсутствуют централизованные электросети. В данном случае использование таких панелей представляет собой намного более выгодное решение, нежели подключение к сети. В зависимости от вида батареи могут напрямую продуцировать электрический ток или сначала нагревать теплоноситель. Последний из названных вариантов относится к гелиоэнергетике.

Конструктивные особенности

Прожекторы на солнечных батареях, равно как и любой другой вид осветительных приборов, действующих на базе природного излучения, а также солнечные панели, как источник электрического тока, функционируют на основе фотоэлектрических элементов. Преобразование естественного света в электроэнергию происходит посредством p-n перехода. Величина электрических параметров (тока и напряжения) будет напрямую зависеть от интенсивности падающего на поверхность батареи излучения.

Именно поэтому прослеживается вполне логичная связь между размерами батареи, а также ее производительностью. Соответственно, прожекторы, работающие на солнечных тепловых батареях, позволяют освещать довольно большие территории, так как функционируют на базе мощных панелей. КПД подобных устройств зависит еще и от материала, из которого изготовлена батарея, а также от технологии ее производства.

Конструкция таких приборов состоит из следующих элементов:

• Непосредственно сама солнечная батарея, продуцирующая постоянный электрический ток;
• Аккумулятор;
• Контроллер для управления зарядом солнечной батареи;
• Инвертор, задача которого заключается в преобразовании постоянного тока в переменный эквивалент, что позволяет подключать различную технику на обслуживаемом объекте.

Особенностью источника питания данного рода является возможность подключения параллельно или последовательно. В первом случае на выходе получается большое значение напряжения, во втором – увеличивается значение тока.

Если выполнить соединение солнечных элементов батареи комбинированным способом, когда используется и параллельное, и последовательное подключение, то результатом будут большие значения и напряжения, и тока.

Чтобы увеличить мощность такого устройства используется модульная конструкция, как, например, для обслуживания крупного объекта. При этом выполняется подключение нескольких батарей сразу. А вот прожекторы на солнечных батареях функционируют от единственного источника питания, который должен быть полноразмерным для получения на выходе большой мощности, так как такие осветительные приборы используются для обслуживания больших территорий.

Технология производства

Для создания солнечных панелей используется чаще всего кремний. По степени распространенности этот элемент считается вторым во всем мире. На производстве применяется кварцевый песок, причем важно, чтобы он был максимально очищен от примесей. Технология обработки этого материала включает в себя несколько этапов по его переплаву, вместе с синтезом при участии химических веществ.

Смотрим видео, этапы производства и принцип работы солнечного элемента:

Дальнейшие действия зависят от того, какого рода технический кремний планируется получить: монокристаллический, поликристаллический или аморфный. При производстве первого варианта из названных используется способ выращивания материала с однородной структурой посредством затравочного монокристалла. Для получения поликристаллического материала применяется химическое осаждение паров, при этом структура получается неоднородной, так как молекулы застывают неупорядоченно.

Разновидности солнечных панелей

В зависимости от уровня производительности такие устройства подразделяются не следующие виды:

• Маломощные исполнения, как, например, солнечная батарея компактная переносная – используются для питания мелкой техники (телефоны, КПК и прочее);
• Универсальные устройства – прекрасно подходят для эксплуатации в полевых условиях;
• Солнечные элементы на подложке – наиболее распространенный вид, который может использоваться для питания довольно крупных объектов.

Кроме того техника данного рода может функционировать на базе разных технологий: фотоэлектрические преобразователи, гелиоэлектростанции, солнечные коллекторы. Различают такие аппараты и по роду материала: кремниевые и пленочные. Наивысшей производительностью обладают фотоэлектрические устройства на основе монокристаллического кремния. У таких приборов КПД выше, чем у аналогов – до 22%.

Степень эффективности

Перед тем, как решать, где купить солнечные тепловые батареи, следует определить уровень нагрузки на такие устройства. После чего необходимо соотнести его с имеющейся свободной площадью для установки солнечных панелей. Именно совокупность этих двух факторов позволит правильно подобрать вариант исполнения таких устройств, что позволит получить максимально эффективный источник питания.

Поэтому ответ на вопрос, действительно ли эффективны солнечные батареи, будет положительным. Да, их производительность позволяет питать энергией довольно крупные объекты. Но есть и одно «НО»: исполнения с высоким уровнем производительности требуют довольно больших площадей под установку, а в этом часто заключается основная проблема.

Солнечная панель своими руками

Эффективность самодельных устройств зависит от того, насколько точно соблюдены правила их установки. Например, при выборе монокристаллических фотоэлементов важно расположить их под нужным углом, чтобы обеспечить прямое попадание солнечных лучей на поверхность элементов. В этом плане проще выбрать поликристаллические батареи, так как она более стойко переносят изменение погодных условий. Но их производительность несколько ниже.

В покупных изделиях используется контроллер для солнечной батареи, в бытовых условиях можно применить шунтирующие диоды, в частности, диоды Шотке. Это позволит избежать разряжения батарей в пасмурную погоду или ночью. Для создания каркаса, удерживающего фотоэлементы, применяются материалы, которые не пропускают ИК-спектр сквозь поверхность. Такой нюанс позволит снизить интенсивность нагрева конструкции. Нередко для этой цели используется оргстекло. Для соединения всех элементов между собой применяется пайка. В конце полученное изделие герметизируется обычным силиконовым герметиком.

Смотрим видео, полный процесс изготовления своими руками:

Таким образом, главное, что следует знать при выборе солнечных панелей, каков уровень их производительности на конкретном участке и с определенной величиной нагрузки. В результате можно обеспечить питание электроприборов и техники на неограниченное время, так как солнечные батареи относятся к возобновляемым альтернативным источникам энергии. Учитывая довольно широкий выбор таких устройств, можно подобрать наиболее подходящее исполнение под определенные нужды.

Источник