Как работают солнечные батареи

Солнечные батареи: виды, свойства и принцип действия

Солнечные батареи (панели) относятся к альтернативным источникам энергии. Они состоят из солнечных элементов, которые преобразуют солнечный (и не только) свет в электроэнергию. А полный комплект состоящий из солнечных панелей, инверторов, аккумуляторов, контроллеров называется солнечной электростанцией. Может показаться, что у таких устройств нет недостатков, но перед покупкой и установкой следует изучить основные характеристики. Это позволит ответить на вопрос, как подобрать солнечные батареи для дома с учетом Ваших нужд, ведь стоимость одного комплекта достаточно высокая.

Область применения

Сегодня отсутствуют ограничения на использование солнечных батарей. Это обусловлено их преимуществами, в частности, выработкой достаточного количества электроэнергии для энергообеспечения всего объекта или решения локальных проблем (применения в качестве элемента питания и пр.). Освещение – это пока основное направление применения таких модулей. Реже их используют для обогрева, причем в большинстве случаев солнечные батареи обсуживают малогабаритные объекты. Их применяют:

• в частных и многоквартирных домах;

• коммерческих зданиях;

• теплицах;

• на придомовой территории.

Условия, при которых предпочтительно устанавливать такие модули:

• для обогрева/освещения местности, где отсутствуют ЛЭП, в данном случае применение преобразователей солнечной энергии позволит сократить затраты на энергообеспечение объекта, это более выгодный метод, если сравнивать с применением дизельных генераторов;
• в некоторых многоквартирных домах, построенных за последние годы, использовался альтернативный источник энергии (в системах водоснабжения) или в качестве резервного;
• в местности (селах, деревнях) время от времени случается отключение электричества, такие модули позволяют обеспечить бесперебойную работу техники.

Сколько служат солнечные батареи?

• Поликристаллические. По стоимости они предпочтительнее, т. к. производятся из мультикристаллических пластин. Еще одна причина низкой цены – недостаточно высокая производительность. Рекомендуется применять такие модули, если в местности сравнительно одинаковый уровень освещенности в разное время, отсутствуют резкие перепады.

• Аморфные. Другое название – тонкопленочные солнечные батареи. Они отличаются универсальным действием (применяются на разных объектах, в различных целях). Могут устанавливаться там, где жаркое солнце внезапно сменяется облачной погодой. Теоретически аморфные панели в будущем будут использоваться не только на крышах, но и на сумках, других бытовых изделиях. Минусом таких панелей является более низкая производительность, если сравнивать с поли-, монокристаллическими.

• Гетероструктурные. Считаются наиболее эффективными, их КПД достигает 25%. Панели вырабатывают электроэнергию при солнечной и пасмурной погоде. В России такую продукцию представляет марка «Хевел». Компания-производитель разрабатывает и внедряет собственную технологию производства гетероструктурных панелей.

Основные элементы конструкции:

• аккумулятор, позволяющая устранить перепады напряжения, вызванные изменением освещенности панели, а еще одна накапливает энергию;
• инвертор – преобразователь тока (из постоянного в переменный);
• контроллер: обеспечивает стабильную работу модуля, т. к. контролирует все параметры (температуру, зарядное напряжение аккумулятора и др.).

В продаже встречаются готовые системы, а также отдельные элементы для сбора с учетом собственных потребностей.

Как работают солнечные батареи

Солнечный свет попадая на элементы солнечных панелей, преобразуется в постоянный электрический ток. Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный ( в привычные нам 220в), а он, попадая в контроллер, отправляется к потребителям (бытовой технике, осветительных устройств). Аккумулятор же выполняет роль буфера между солнечными батареями и инвертером. Мощность инверторов может быть разной: 250-8000 Вт. Главные параметры, на которые следует обращать внимание: напряжение, мощность. Причем нужно не просто изучить характеристики, а соотнести эти параметры друг с другом. Отмечают наиболее подходящие варианты, исходя из напряжения (В) и мощности (Вт):

• 12 В, 600 Вт;
• 24 В, 600-1500 Вт;
• 48 В, от 1500 Вт и выше.

ИНТЕРЕСНО: Системы отопления частного дома

Цена устройства формируется с учетом комплектующих:

• модуль;
• аккумуляторная батарея;
• контроллер;
• инвертор;
• кабель;
• клеммы;
• стеллаж.

Цена солнечных батарей разная. В зависимости от комплектующих стоимость меняется в пределах диапазона: от 300 тыс. руб. до 2 млн руб. Малогабаритные изделия для локального применения можно приобрести и за 10 тыс. руб., однако их допустимо применять для простейших нужд (в качестве элемента питания и др.). При выборе устройства обращают внимание на параметры:

• энергоэффективность;
• габариты панелей (могут составить несколько метров по одной стороне);
• мощность;
• температурный коэффициент (оказывает влияние на мощность и другие электрические параметры).

Несмотря на высокую стоимость, солнечные батареи приобретают достаточно часто. Это обусловлено сравнительно быстрой их окупаемостью. Срок возврата затраченных средств зависит от количества потребителей. Для сравнения, панели, обслуживающие дом, где проживает семья из 4 человек, окупятся уже через 4 года (средний показатель).

Для удовлетворения простых нужд может быть достаточно панелей «Хевел» сетевой солнечной электростанции мощностью не выше 5 кВт. Их допустимо устанавливать на крыше частного дома, объектах малого и среднего бизнеса (кафе, небольшие магазины, павильоны, гостевые дома). Такой способ позволяет снизить затраты на электроэнергию от основного источника.

Однако самостоятельно сложно понять, какой комплект следует приобрести. Не всегда просто рассчитать и достаточную мощность солнечных батарей. Если выбор пал на панели «Хевел», консультант поможет подобрать модель. От компании приходит специалист, ориентируется на месте: делает замеры, расчеты. Дома останется выполнить пусконаладочные работы. Производитель «Хевел» предоставляет гарантию (до 25 лет) на все комплектующие, а также модули.

ИНТЕРЕСНО: Сборка и установка коллектора водяного теплого пола

Коллекторы: получение тепла из солнечной энергии

Солнечные батареи могут применяться для обогрева объектов, нагрева жидкости. Возможность получения тепла обусловлена способностью батареи накапливать энергию. Это позволяет повышать температуру теплоносителя в трубах, за счет чего обеспечивается не только нагрев жидкости, но и обогрев всего объекта. Солнечные коллекторы функционируют по определенной схеме. Их основные элементы конструкции:

• насосная станция;
• бак-аккумулятор;
• контроллер;
• трубы и фитинги.

• плоские: состоят из плоского абсорбера, покрытия, теплоизолирующего слоя;
• вакуумные (трубчатые): состоят из стеклянной колбы, теплоизоляционный материал заменен на вакуум, который заполняет емкость (в ней также находится абсорбер).

У второго варианта есть существенное преимущество – низкие теплопотери. По этой причине вакуумные коллекторы применяются повсеместно там, где не могут быть установлены плоские аналоги.

Обзор производителей

Лидером продаж является продукция китайских марок. Это обусловлено их доступностью. Для сравнения, цена китайских солнечных батарей в 2 раза ниже, чем немецких со сходными характеристиками. Популярные марки:

• Suntech Power Ко;
• Yingli Green Energy;
• HiminSolar.

Распространены также отечественные панели марок:

• «Sun Shines» (ООО «Автономные Системы Освещения»);
• ООО «Хевел»;
• ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов»;
• «Телеком-СТВ»;
• ЗАО «Термотрон-завод» и др.

Как выполнятся монтаж

Выбирают место, где будут фиксироваться панели. Оценивают факторы:

• тень: следует найти наиболее ярко освещаемый на протяжении всего дня участок;
• ориентация по сторонам света: если объект расположен на севере, модуль располагают лицевой панелью к югу и, наоборот;
• угол наклона: он должен соответствовать широте, в которой находится объект (в зависимости от положения относительно экватора осуществляется коррекция 12°).

Строительный портал о строительстве и ремонте собственного дома, благоустройства участка, а также обзоры строительных материалов и технологий с пошаговыми инструкциями.

• Строительные материалы
• Фундамент
• Стены
• Крыша и кровля
• Пол и потолок
• Окна и двери
• Утепление дома
• Интерьер и экстерьер
• Своими руками

Как работают солнечные батареи

Cолнце есть и будет всегда! Возможно, это слишком смелое заявление, но это действительно так. По крайней мере, с точки зрения человечества. Пусть оно и взорвется через сколько-то там миллионов лет, но к тому времени мы уже покинем эту планету или сами, или в виде кучки пепла, которую развеет в космосе очередной огромный камень, налетевший на наш голубой шарик. Именно из-за такой стабильности Солнца его можно и нужно использовать для получения энергии. Люди уже давно научились это делать и сейчас продолжают совершенствовать технологии солнечной энергетики. Но как же работают солнечные панели, батареи и вообще, как можно превратить свет в электричество внутри розетки?

Солнечные панели позволяют сделать электричество чуть ли не бесплатным.

Когда появились солнечные батареи

Солнечные батареи были изобретены достаточно давно. Впервые эффект преобразования света в электричество был обнаружен Александром Эдмоном Беккерелем в 1842 году. Для создания первых прототипов потребовалось почти сто лет.

В 1948 году, а именно 25 марта, итальянский фотохимик Джакомо Луиджи Чемичан смог сделать то, что мы теперь используем и развиваем. Спустя 10 лет в 1958 году технология впервые была опробована в космосе в качестве элемента питания американского спутника, названного ”Авангард-1”. Спутник был запущен 17 марта, а уже 15 мая того же года это достижение повторили в СССР (аппарат ”Спутник-3”). То есть технологи начала массово применяться в разных странах почти одновременно.

Использование солнечных панелей в космосе — обычная практика.

Подобные конструкции применяются в космосе до сих пор, как важный источник энергии. А еще их используют на Земле для обеспечения энергией домов и даже целых городов. А еще их начали встраивать в гражданские электромобили для обеспечения большей автономности.

Вообще, важность подобных элементов невозможно переоценить. Только так можно добиться получения энергии в любой точке планеты. Гидроэнергетика, атомные станции, ветряки и тому подобные системы могут быть размещены только в определенных местах, стоят очень дорого или требуют соответствующей инфраструктуры. И только солнечные панели позволяют построить дом в пустыне и электрифицировать его. За относительно небольшие деньги. На «ветряк» их точно не хватит.

Как работают солнечные панели

Стоит немного уточнить, что понятие ”солнечная батарея” не очень правильное. Точнее правильное, но не имеющее отношение к тем системам питания, о которых мы говорим. Батарея там обычная, но получает энергию от солнечных панелей, которые преобразуют в электричество свет солнца.

В основе солнечной панели лежат фотоэлектрические ячейки, которые помещены внутрь общей рамы. Для создания таких ячеек чаще всего используется кремний, но возможно использование и других полупроводников.

Энергия вырабатывается в тот момент, когда на полупроводник попадают солнечные лучи и нагревают его. В результате этого внутри полупроводника высвобождаются электроны. Под действием электрического поля электроны начинают двигаться более упорядоченно, что и приводит к появлению электрического тока.

Примерно так выглядит солнечная панель.

Для того, чтобы получить электричество, надо подключить контакты к обеим сторонам фотоэлемента. В результате этого он начнет питать электричеством подключенный потребитель или просто заряжать батарею, которая потом будет отдавать электричество в сеть, когда это понадобится.

Основной упор на кремний делается из-за его кристаллических особенностей. Впрочем, в чистом виде кремний сам по себе является плохим проводником и для изменения свойств к нему делается крайне малое количество примесей, которые улучшают его проводимость. В основном в число примесей входит фосфор.

Как полупроводники вырабатывают электричество?

Полупроводник является материалом, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо их не хватает (p-тип). То есть полупроводник состоит из двух слоев с разной проводимостью.

В качестве катода в такой схеме используется n-слой. Анодом является p-слой. То есть электроны из первого слоя могут переходить во второй. Переход происходит за счет выбивания электронов фотонами света. Один фотон выбивает один электрон. После этого они, проходя через аккумулятор, попадают обратно в n-слой и все идет по кругу.

Когда энергия выработана, все начинается по кругу, а свет всегда горит.

В современных солнечных панелях в качестве полупроводника используется кремний, а начиналось все с селена. Селен показал крайне низкий КПД — не более одного процента — и ему сразу стали искать замену. Сейчас кремний в целом удовлетворяет требования промышленности, но есть у него и один существенный минус.

Обработка и очистка кремния для приведения его к тому виду, в котором его можно будет использовать, является достаточно затратной процедурой. Чтобы снизить стоимость производства, проводят эксперименты с его альтернативами — медью, индием, галием и кадмием.

Эффективность солнечных панелей

Есть у кремния еще один минус, который не так существенен, как стоимость, но с которым тоже надо бороться. Дело в том, что кремний очень сильно отражает свет и из-за этого элемент вырабатывает меньше электричества.

Даже повесив столько панелей, все равно надо обеспечивать их нормальную работу. В том числе бороться с отражением света.

Для того, чтобы уменьшить такие потери, фотоэлементы покрывают специальным антибликовым покрытием. Кроме такого слоя, надо использовать и защитный слой, который позволит элементу быть более долговечным и противостоять не только дождю и пыли, но даже падающим веткам небольшого размера. При установке на крыше дома это очень актуально.

Солнце -сила! Ее надо использовать!

Несмотря на общую удовлетворенность технологией и постоянную борьбу за улучшение показателей, современным солнечным панелям все равно есть куда стремиться. На данный момент массово производятся панели, которые перерабатывают до 20 процентов попадающего на них света. Но есть и более современные панели, которые пока ”доводятся до ума” — они могут перерабатывать до 40 процентов света.

А вообще, солнечная энергетика это круто! И помните, даже при таком «пАлящем» солнце система будет работать.

Как работают солнечные батареи, их актуальность в Украине в 2023 году

О том, что свет можно преобразовать в электричество, известно с середины XIX века, но по-настоящему перейти от теории к практике ученые смогли лишь спустя 100 лет, когда удалось создать первую кремниевую фотоэлектрическую панель.

Современные солнечные батареи работают как часы, обеспечивая зарядку гаджетов, освещая дома, подпитывая бытовую технику и транспортные средства.

Как устроена солнечная панель

Независимо от нюансов конструкции, фотоэлектрические модули состоят из солнечных элементов. С них и начнем рассмотрение устройства панелей.

Солнечные элементы (СЭ)

В основе СЭ — два слоя кремния или другого полупроводника — материала, который становится проводником тока при определенных условиях. Один слой отрицательный, второй — положительный. При попадании света на фотоэлементы происходит переток электронов, и вырабатывается электрический ток.

Большая часть производимых кремниевых СЭ — монокристаллические и поликристаллические. Первые наиболее эффективные, но стоят примерно на 10% дороже вторых. Монокристаллические с виду отличаются от поликристаллических срезанными уголками.

На панелях из моноэлементов на пересечениях квадратных ячеек видны небольшие ромбики. Фотомодули из полиэлементов состоят из прямоугольных ячеек, разделенных тонкими полосками.

Все время ведутся научные разработки по увеличению эффективности СЭ. Однако КПД промышленных образцов пока в районе 10-20%. К способам увеличения эффективности относится постепенный переход на более крупные размеры ячеек. Выглядит это следующим образом:

Год появления формата

Тут стоит отметить два момента:

• С увеличением размера СЭ требуется больше места для размещения панели с таким же количеством ячеек.
• Ячейки со сторонами 156 мм по-прежнему активно производят. Этот формат нельзя назвать безнадежно устаревшим.

Солнечные панели

Модуль кристаллических ячеек представляет собой сэндвич, в котором СЭ находятся в середине, а сверху и снизу расположены защитные слои:

• стекло,
• герметизирующая прослойка,
• солнечные элементы,
• герметизирующая прослойка,
• стекло либо защитная пленка.

Фотоэлектрические ячейки защищены с обеих сторон. Сверху они закрыты от дождя, также присутствует покрытие, уменьшающее отражение солнечных лучей. Общая герметизация нужна, чтобы предотвратить окисление внутренних элементов. Что касается принципа работы солнечной панели, то он тождественен порядку функционирования СЭ. Просто происходит сложение мощностей фотоэлементов.

Пластины для установки на крышу обычно корпусные, идут в алюминиевой окантовке, обеспечивающей жесткость конструкции. Батареи объединяют в массивы последовательным или параллельным способом.

От размеров панели зависит ее мощность:

Номинальная мощность, Вт

Панели именитых брендов делают на заводах с полной автоматизацией. Желательно при покупке ориентироваться именно на такую продукцию, поскольку мелкие производители не имеют средств на роботизацию, а ручной труд порой становится причиной брака.

Солнечные батареи: принцип работы панелей и дополнительного оборудования

Лучи света можно представить в виде потока крохотных частичек — фотонов. Солнечные батареи ловят их и преобразуют в поток электронов. Каждая ячейка генерирует несколько ватт электроэнергии. Этого недостаточно даже для питания обычной комнатной лампочки. Однако в солнечной панели несколько десятков СЭ, поэтому их общей мощности может хватить на освещение всего дома. А если на крыше установлено несколько панелей, то вполне реально смотреть телевизор, греть воду бойлером и т.д., пользуясь обычными розетками с напряжением 220 В. Таким образом, основной принцип работы автономной солнечной батареи заключается в объединении мощностей СЭ.

Автономность — это, конечно, прекрасно, но у фотоэлектрических панелей есть один очень важный минус — зависимость от погоды. Украина — не пустыня Сахара, у нас хватает пасмурных дней, поэтому солнечные батареи обычно устанавливают в качестве альтернативного источника энергии или там, где нельзя подключиться к централизованной электросети.

Еще один нюанс заключается в том, что электроэнергию мы расходуем в основном вечером. Люди приходят с работы, готовят еду, включают телевизоры и прочие электроприборы. А в это время солнце уже садится, или на улице темно. Получается, что имеет смысл днем запасаться солнечной энергией, а вечером доставать ее из заначки. Для этого устанавливают аккумуляторы. Если же домашнюю электростанцию установили в электрифицированном доме, то без них можно обойтись. Существует 3 основных разновидности станций: автономные, сетевые и гибридные.

Автономные станции

К этой категории относится не только оборудование для дач и лесных домиков, расположенных вдали от линий электропередач: существуют и мини-станции для туристов. Мощность моделей для переноски — 20-200 Вт, для перевозки на авто — 200-900 Вт.

Что касается автономной станции для жилого строения, то она включает:

• набор фотоэлектрических панелей;
• инвертор для получения переменного тока из постоянного;
• аккумуляторные батареи;
• контроллер заряда АКБ;
• кабели, переходники, крепеж и прочую периферию, необходимую для монтажа.

Мощность автономных электростанций — 1-10 кВт. Даже одно киловатта хватит для круглосуточной работы холодильника.

Сетевые станции

В этом случае дом запитан от централизованной электросети, поэтому можно пользоваться электроприборами в любую погоду, не задумываясь, сколько ватт им нужно.

Сетевая электростанция состоит из:

• солнечных батарей,
• сетевого инвертора,
• двунаправленного счетчика,
• периферии.

Двунаправленный счетчик дает возможность владельцу дома продавать летом излишки электроэнергии по зеленому тарифу. Такие станции обходятся дешевле, поскольку не нужно покупать и через несколько лет менять аккумуляторы.

Гибридные станции

Такой вариант самый функциональный, но требует значительных финансовых вложений. В комплект оборудования входят аккумуляторы, солнечные батареи и гибридный инвертор. Преимущества:

1. Впечатляющая экономия электроэнергии, поставляемой централизованным способом.
2. Возможность полностью автономной работы при отключении централизованного электричества.
3. Автоматическое переключение между режимами функционирования.
4. Возможность сливать часть электричества в центральную сеть при избыточной генерации.

При проектировании солнечной электростанции важно, чтобы оборудование соответствовало прогнозируемому энергопотреблению и было примерно одинаковой мощности.

Как работают солнечные батареи зимой

Фотоэлектрические панели наиболее эффективны летом, поскольку это время года радует длинными днями. Зимой солнечные батареи работают хуже, так как дни короче. Кроме того, фотоэлементы периодически покрываются снегом, может образовываться наледь. В таких условиях обеспечить дом чистой энергией вряд ли получится. Если нет возможности получать электричество от централизованной электросети, имеет смысл подумать о покупке генератора, работающего на бензине или солярке. Бензогенератор от погоды не зависит, разве что привести его в рабочее состояние в холод бывает сложнее.

Чистка солнечной батареи — занятие несложное. Потребуется щетка с ручкой длиной 2-4 метра. Убирать всю наледь необязательно. Если смахнете основную массу снега, оставив тонкие полоски, — ничего страшного: в солнечные день панели оттают до конца без вашей помощи.

Если дом подключен к электросети, то чистка панелей — сомнительное занятие, поскольку зима — не лучшее время для генерации электроэнергии. Возможно, в этот период имеет смысл ограничиться централизованно поставляемой энергией.

В заключение о том, как работают гибкие солнечные панели. Принцип функционирования у них такой же, как и у рамочных. Преимущества гибких батарей: малый вес и возможность крепления на криволинейные поверхности. Полоски фотоэлементов даже клеят на жалюзи. Недостаток — меньше мощность на единицу площади.

Можно купить гибкие панели размером с окно. Мастеровитые украинцы устанавливают их на балконах квартир. Эта тенденция актуальна для регионов, в которых ведутся боевые действия. Желательно клеить панели с внешней стороны, так больше электричества поступает в квартиру. Для обустройства квартирных электростанций закупают примерно такое же оборудование, как и для автономных, только меньшей мощности. Такие станции довольно слабые, но на подзарядку смартфонов и освещение их хватает.

Источник https://svoydom.info/%D1%81%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B5-%D0%BF%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D0%BB%D0%B8/

Источник https://hi-news.ru/technology/kak-rabotayut-solnechnye-batarei.html

Источник https://www.moyo.ua/news/kak_rabotayut_solnechnye_batarei_ikh_aktualnost_v_ukraine_v_2022_godu.html