Как работает Солнечная батарея

Мы научились сжигать все что горит, перенаправлять реки, ловить ветра и даже расщеплять атомы и все только ради одной цели — получение энергии. И мы придумали много разных методов ее добывать. За последние сто лет человечество увеличило потребление энергии в десять раз. И этот рост не собирается останавливаться!

Мы все с вами прекрасно понимаем, что энергии много не бывает. Но ее ведь надо откуда-то брать. И проблема в том, что тупо бесконечно сжигать уголь или газ не очень полезно. Парниковый эффект знаете ли. И это не пустые слова — средняя температура на планете выросла уже на 1 градус! Скажете что это совсем чуть-чуть? Но на самом деле нет!

Только за лето 2022 года объем ледников в альпах сократился на почти 7 процентов! За одно лето! А средний ледяной покров на северном полюсе сократился вообще на 50% всего за 50 лет. Так вот надо искать что-то менее вредное для нашего голубого шарика.

И тут стоит взглянуть вверх, ведь там крутится просто гигантский, почти вечный, термоядерный реактор, который просто как из ведра поливает нашу землю бесконечной и бесплатной энергией! Казалось бы, осталось эту энергию только как-то собрать. И вот тут начинаются сложности. Сегодня мы вам расскажем о том как работают солнечные панели и какие перспективы вообще у солнечной энергетики. Разберем все как вы любите!

История

А знаете сколько солнечной энергии попадает на Землю? Около 174 ПетаВатт! Это в десять тысяч раз больше, чем потребляет вся планета сейчас! Например, в 2019 году на Землю примерно за час попало больше энергии, чем мы потребили за весь год! А в среднем на один квадратный метр земли падает до 7 киловатт час энергии в день.

Но как же это все собрать? Давайте, как обычно, начнем немного с истории.

Все солнечные панели работают на фотоэффекте, то есть, если говорить просто, на эффекте, когда в веществе может генерироваться электрический ток под воздействием света.

Он впервые был зафиксирован аж в 1839 году французским ученым Александром Беккерелем. Однако, тогда он не смог его объяснить.

В итоге фотоэффект был открыт только спустя несколько десятков лет в Селене в 1873 году инженером из англии по имени Вилогби Смит. И уже в 1883 году была построена первая в истории солнечная панель, американским изобретателем Чарльзом Фритцом! Конечно эффективность у нее была, мягко говоря, так себе — панели переводили в энергию только 1% от попадающей на них солнечной энергии.

Однако начало было положено!

Далее довольно долго никаких нововведений не было. Примерно до 1940 года, когда некий американец Рассел Ол, работавший в Белл Лэбс, случайно не сломал кусочек кремния, и не обнаружил, что через него течет ток.

Как работают солнечные батареи?

Он случайно создал так называемый P-N переход. Ну или электронно-дырочный переход по другому. Видите ли, все дело в том, что Селен, как и кремний — полупроводники. И именно это и позволяет нам наблюдать фотоэффект в них!

Напомним, что полупроводники это материалы, у которых ширина запрещенной зоны не большая, но и не маленькая. То есть если к ним приложить определенную энергию то за счет возбуждения атомов, электроны переходят в зону проводимости и они могут начинать проводить электрический ток. Можно сказать, что электроны можно от атомов как бы отрывать. А ведь свет, то есть фотоны, переносят энергию и если эта энергия достаточна, то и они могут это делать!

Как работают солнечные батареи

Солнечные батареи – один из видов альтернативной энергетики, позволяющей получать «чистую» электроэнергию. Представляют собой панели, состоящие из цепей полупроводниковых фотоэлементов, которые преобразуют солнечную энергию напрямую в постоянный электрический ток.

Принцип работы фотоэлемента

Полупроводниковый фотодиод представляет 2-слойный элемент, составленный из полупроводников n- (с лишними электронами – катод) и p- (с недостатком электронов – анод) типов.

Солнечные лучи, попадая на n-слой, «выбивают» свободные электроны, которые затем перемещаются в p-слой, где занимают пустующие места. Электроны, образуя электрический ток, перемещаются по кругу от p-слоя к n-слою, проходя при этом через нагрузку, представляемую в солнечных батареях аккумулятором.

Материал для фотодиодов

Первым материалом, применяемым в фотоэлементах, был селен, который обеспечивал КФП батарей не больше 1%. Расцвет отрасли наступил после разработки фотодиода на основе полупроводников из кремния – эта технология доминирует до сих пор, обеспечивая эффективность устройств в интервале 20%. 25%. Реальной альтернативой кремнию выступает арсенид галлия, многослойные фотоэлементы из которого способны работать с коэффициентом фотоэлектрического преобразования более 30%.

Для изготовления фотодиодов используется также сульфат кадмия и полимеры. Первый материал позволяет создавать батареи в виде гибких тонких пленок и чаще используется для обеспечения электроэнергией космических объектов. Второй, из-за малой стоимости, доступности и простоты применения, являются перспективным в развитии отрасли; его использование находится сегодня на стадии изучения и экспериментов.

Устройство

Солнечной батареей называется система полупроводниковых устройств – фотоэлектрических преобразователей, преобразующих энергию солнца в постоянный ток. В схеме работы задействован принцип фотоэффекта.

Состоит солнечная батарея из таких элементов:

Устройство

  • материал-полупроводник, включающий в себя два слоя материалов, имеющих разную проводимость. Например, это поликристаллический или монокристаллический кремний, куда включены иные химические соединения с целью создания фотоэффекта p-n перехода. Получается, в одном материале электронов мало, в другом – в избытке;
  • диэлектрик. Наносится тонким слоем с той целью, чтобы электроны не переходили далее;
  • источник электропитания. Если его подключить к противостоящему слою, электроны легко преодолеют запорную зону. Как результат – образуется движение заряженных частиц;
  • аккумулятор. Задача этого элемента – накапливать и сохранять энергию;
  • контроллер заряда. Посредник между солнечным модулем и АКБ. Он отслеживает уровень заряда аккумулятора – не дает закипеть или снизиться электрическому потенциалу;
  • инвертор-преобразователь. Преобразует постоянный ток от солнечной батареи в переменный 220 – 230 В;
  • стабилизатор напряжения. Поддерживает напряжение, необходимое для работы всей системы.

Информация о том, как устроена солнечная батарея – это пол дела. Прежде чем выбирать и монтировать систему, не лишним будет разобраться, как она работает.

Принцип работы

Первый прототип солнечной батареи применялся дачниками еще в прошлом столетии – летний душ. Брали емкость, например, ванну, окрашивали ее в черный, и заполняли водой. В течение дня вода грелась, а вечером дачник принимал теплый душ.

Панели обычно ставят на крышах, и они преобразуют 90% солнечного излучения в энергию следующим образом:

Принцип работы

  1. Солнечный свет (фотоны) падает на поверхность панели.
  2. Сталкиваясь с поверхностью полупроводника, фотоны отдают энергию его электронам.
  3. Электроны, заряженные дополнительной энергией, в следствие удара выбиваются из полупроводника и выходят за защитный слой.
  4. Отрицательно заряженные электроны идут к n-проводнику из p-проводника, а положительные – обратно. Чтобы переход произошел, в проводниках есть электрические поля, которые впоследствии повышают разность и силу зарядов.

Когда панель, на которую светит солнце, замкнута на конкретную нагрузку с сопротивлением, появляется электрический ток. На силу тока влияет сопротивление нагрузки, интенсивность освещения и качество фотоэлектрического преобразователя.

Принцип работы солнечных батарей

Солнечные батареи, также известные как фотоэлектрические (ФЭ) ячейки, преобразуют солнечную энергию непосредственно в электрическую энергию. Они состоят из полупроводниковых материалов, обычно кремния, которые имеют способность преобразовывать свет в электрический ток.

Принцип работы солнечных батарей основан на явлении фотоэлектрического эффекта. Когда свет падает на поверхность солнечной батареи, он взаимодействует с атомами полупроводникового материала, вызывая освобождение электронов. Эти свободные электроны затем движутся внутри материала, создавая электрический ток.

Основные компоненты солнечной батареи:

  • Полупроводниковый материал: Обычно используется кремний, который обладает полупроводниковыми свойствами и способностью преобразовывать свет в электрический ток.
  • П-тип и N-тип слои: Полупроводниковый материал делится на два слоя – P-тип и N-тип. P-тип слой содержит атомы с избытком электронов, а N-тип слой содержит атомы с избытком дырок (отсутствие электронов).
  • Граница P-N слоев: Граница между P-тип и N-тип слоями называется P-N переходом. Здесь происходит основной процесс преобразования света в электрический ток.
  • Контакты: На каждом конце солнечной батареи находятся металлические контакты, которые собирают электрический ток и направляют его во внешнюю цепь.

Когда свет падает на поверхность солнечной батареи, фотоны света взаимодействуют с атомами полупроводникового материала, передавая энергию электронам. Это вызывает освобождение электронов из атомов, создавая свободные электроны в P-тип слое. Свободные электроны затем движутся к P-N переходу, где они переходят в N-тип слой.

В то же время, в P-тип слое образуются дырки – отсутствие электронов. Дырки также движутся к P-N переходу, но в противоположном направлении. Когда свободные электроны и дырки достигают P-N перехода, они рекомбинируют, создавая электрический ток.

Этот электрический ток собирается металлическими контактами на концах солнечной батареи и направляется во внешнюю цепь, где может быть использован для питания электрических устройств или зарядки аккумуляторов.

Преимущества использования солнечных батарей

Использование солнечных батарей имеет ряд преимуществ, которые делают их привлекательным источником энергии:

Возобновляемый источник энергии

Солнечная энергия является возобновляемым источником энергии, что означает, что она не исчерпывается и не загрязняет окружающую среду при использовании. Солнечные батареи преобразуют солнечный свет в электрическую энергию без выброса вредных газов или отходов.

Низкие эксплуатационные расходы

После установки солнечных батарей, эксплуатационные расходы сводятся к минимуму. Солнечная энергия бесплатна и не требует дополнительных затрат на топливо или обслуживание. Батареи требуют только периодической очистки от пыли и грязи для поддержания оптимальной производительности.

Долговечность и надежность

Солнечные батареи обладают долгим сроком службы и высокой надежностью. Они не имеют движущихся частей, что уменьшает риск поломок и требует минимального обслуживания. Большинство производителей предлагают гарантию на солнечные батареи на протяжении 20-25 лет.

Универсальность применения

Солнечные батареи могут использоваться в различных областях и для разных целей. Они могут быть установлены на крышах зданий для генерации электроэнергии для домашнего использования или подключены к сети для продажи избыточной энергии. Солнечные батареи также могут использоваться в отдаленных районах, где нет доступа к электричеству, для питания насосов, освещения и других устройств.

Снижение энергозатрат

Использование солнечных батарей позволяет снизить энергозатраты и зависимость от традиционных источников энергии. Это особенно актуально в условиях растущих цен на электроэнергию. Солнечные батареи могут помочь сократить энергетические счета и обеспечить стабильное и надежное энергоснабжение.

Преимущества солнечных панелей

Переход на солнечные генераторы — достаточно дорогостоящее мероприятие, которое требует серьезные вложений на начальном этапе. Но эксперты отмечают ряд полезных преимуществ такого перехода. Назовем и подробнее разберем все плюсы.

Меньше платить за электричество

Это одно из самых быстрых и очевидных преимуществ. Вам больше не потребуется так сильно зависеть от центрального электроснабжения, особенно если в вашей местности постоянно возникают какие-то проблемы с его подачей. Располагая достаточным количеством солнечных панелей и зарядных станций, вы можете и вовсе отказаться от какого-либо другого источника энергии.

Полностью возобновляемый источник энергии

На нашей планете все спокойно с точки зрения солнечного освещения, поэтому вы можете перезаряжать свой солнечный генератор так часто, как вам это необходимо. Просто разворачивайте солнечные панели в дневное время по отношению к солнечным лучам. Для окружающей среды это намного лучше, чем использование газа или бензина.

Экологически чистый образ жизни

За последние годы мы стали больше задумываться об экологии. Климатический кризис побудил нас пересмотреть свое потребление и понять, как можно помочь нашей планете. И использование экологически чистой солнечной энергии — хороший первый шаг. Кроме того, солнечные генераторы EcoFlow не производят вредных выхлопов, вредных для вас и атмосферы.

Подходит для любого климата

Распространенное заблуждение насчет функционирования PV-панелей — это то, что они якобы работают в условиях интенсивного солнечного света. Но это не так. Если в течение дня солнце будет светить хотя бы немного, то даже в таком случае электричество будет генерироваться. Современные солнечные панели типа двухсторонних панелей EcoFlow могут генерировать электроэнергию даже при плохом освещении.

Простая и понятная настройка

Если в прошлом системы генерирования солнечной энергии требовали специализированного обслуживания, многие современные модели максимально просты и понятны. При этом они еще и портативные. Такие технологические решения, как серия станций EcoFlow RIVER, продаются с портативными складными солнечными панелями. Они отлично подойдут для загородных поездок на природу, выездных мероприятий, походов и использования без подключения к сетевому электропитанию.

Тонкости, важные для выбора

Чтобы оборудование оказалось максимально эффективным, рекомендуют определиться со следующими вопросами:

Установка солнечных панелей на скат крыши

  • Формат использования. Он определяет финансовую сторону. Одно дело – портативная панель, которую можно повесить на окно или взять в поездку, совсем другое – полноценная система, для установки на крышу дома. Стоимость последней зависит от страны-производителя и мощности.
  • Характеристики. Чтобы выбрать модель нужного типа и мощности, полезно обратиться к специалистам, но здесь все также упирается в способ использования. Для зарядки фонарика хватит панели мощностью в 3-4 Вт, для дачного холодильника понадобится система до 100 Вт.
  • Расположение. Для монтажа солнечных панелей выбирают поверхность, ориентированную на юг, без затененных участков. Угол наклона выбирают равным широте местности и корректируют в зависимости от времени года: летом увеличивают на 6°, зимой на столько же уменьшают

Видео описание

Об установке батарей на частный дом в следующем видео:

Сколько служат солнечные батареи?

Срок службы солнечных батарейМонокристаллическая солнечная панель

  • 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.

Поликристаллические солнечные панели

  • 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.

Тонкопленочные (аморфные) солнечные панели

  • 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.

Гетероструктурные солнечные панели

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: Водосточная система крыши (водостоки): виды устройство и особенности выбора

Комплект для солнечной батареи

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.

Отопление от солнечных батарей в России

Считается, что установка солнечных батарей является отличной инвестицией в дом и в будущее. Системы недорогие, экологичные и автономные. На первый взгляд кажется, что про перебои с электричеством и счета можно забыть. Однако в России отопление от солнечных панелей, как и желание отказаться от городской сети, является всё же нерентабельным.

Качественная солнечная электростанция – недешёвое оборудование. Для необходимой мощности потребуется множество панелей и аккумуляторов. В регионах с низкими тарифами на электричество такая установка будет изначально невыгодной. Но в труднодоступных районах, где требуется постоянный подвоз дизельного топлива и техническое обслуживание генераторов, солнечные электростанции получаются более выгодными и имеют срок окупаемости 2-3 года.

С одной стороны, электростанция на фотоэлементах не требует особого обслуживания, но 1-2 раза в год вытирать пыль и счищать снег всё-таки необходимо. К тому же при ежедневной эксплуатации автономной системы у аккумуляторов снижается срок службы до 3-4 лет, т. к. он измеряется количеством циклов заряда-разряда. Это означает, что тратить средства на замену АКБ всё же придётся.

Другой вариант возможной установки солнечных панелей для экономии электричества — это сетевая солнечная электростанция без аккумуляторов. Она позволяет замещать электричество из городской сети в дневное время суток. Такая система окупается за 5-10 лет в зависимости от стоимости электроэнергии. Основное преимущество — это модульность (можно ставить параллельно несколько станций) системы, которое даёт возможность дальнейшего расширения без замены уже установленного оборудования. И, конечно, срок эксплуатации 35-40 лет без специального технического обслуживания.

Также если на даче часто отключают электричество, можно использовать гибридную солнечную электростанцию, которая объединяет в себе бесперебойную систему (замена генератора) и сетевую для экономии электричества.

Солнечные батареи: ставить или нет

Безусловно, автономная солнечная электростанция на поликристаллических или монокристаллических батареях незаменима в местах, где электричество вовсе отсутствует. Но там, где есть электричество, есть смысл подключить сетевую станцию без АКБ, которая будет компенсировать затраты днём, а лишнюю энергию можно будет продавать в городскую сеть по специальному «зелёному» тарифу.

Пример использования солнечных батарей на даче: всю неделю с понедельника по пятницу солнечные батареи отдают лишнюю электроэнергию в городскую сеть (и вам за это платят), а в выходные вы приезжаете на дачу и отдыхаете бесплатно.

Компания 220-on предлагает оптимальное, проверенное оборудование под текущие задачи клиента без накруток и переплат. В каталоге собраны модели от надёжных и проверенных производителей. Все модели обеспечивают высокую производительность и мощность.

Специалисты 220-on выполнят монтаж и проведут гарантийное и постгарантийное обслуживание. Получить консультацию по подбору оборудования можно по телефону +7 (495) 646-12-20 или по бесплатной горячей линии 8-800-500-20-74.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий