Солнечные батареи устройство и принцип работы: Солнечные батареи: все про альтернативный источник энергии — solar-energ.ru. Принцип работы солнечной батареи для дома: устройство, схема, эффективность

Здесь вы узнаете:

Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте. Солнечный свет, попадая на кремниевый полупроводник, преобразуется в электрический ток. Затем он накапливается в аккумуляторах и используется для бытовых нужд.

Принцип работы солнечных батарей

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.

Технические характеристики

Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:

• Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;
• Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;
• Контроллер уровня заряда аккумулятора.

Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.

Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.

(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)

Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.

Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.

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:

1. Монокристаллические.
2. 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.

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 °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.

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:

1. 1. Гибкие;
2. 2. Жёсткие.

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.

Сфера применения солнечной энергии

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

Преимущества солнечных батарей

Солнечная энергия — это перспективное направление, которое постоянно развивается. Они имеют несколько основных достоинств. Удобство использования, долгий срок службы, безопасность и доступность.

Положительные стороны применение данной разновидности аккумуляторных батарей:

• Возобновляемость – этот источник энергии практически не имеет ограничений притом бесплатный. По крайней мере на ближайшие 6.5 миллиардов лет. Нужно подобрать оборудование, установить его и использовать по назначению (в частном доме или коттеджном участке).
• Обильность – Поверхность земли в среднем получает около 120 тысяч терравват энергии что в 20 раз превышает нынешнее энергопотребление. Солнечные батареи для коттеджей или частных домов имеют огромный потенциал для использования.
• Постоянство – солнечная энергия постоянна поэтому человечеству не грозит перерасход в процессе ее использования.
• Доступность – солнечная энергия может вырабатывать на любой территории, при наличии естественного света. При этом чаще всего она применяется для отопления жилища.
• Экологическая чистота – солнечная энергетика является перспективной отраслью, которая в будущем заменит электростанции, работающие на невозобновляемых ресурсах: газ, торф, уголь и нефть. Безопасны для здоровья людей и домашних животных.

Важно: Отдельно хочется подчеркнуть термоядерную энергию. Несмотря на то, что «мирный атом» позиционируется, как безопасный, при авариях на АЭС этот фактор полностью перечеркивается (Три-Лонг-Айленд, Чернобыль, Фукусима).

• При производстве панелей и монтаже солнечных электростанций в атмосферу не происходят значительные выбросы вредных или токсичных веществ.
• Бесшумность – выработка электроэнергии производится практически бесшумно, и поэтому этот вид электростанций лучше ветровых электростанций. Их работа сопровождается постоянным гулом из-за чего оборудование быстро выходит из строя, а сотрудники должны делать частые перерывы на отдых.
• Экономичность – при использовании солнечных батарей владельцы недвижимости ощущают значительное снижение коммунальных расходов на электроэнергию. Панели имеют долгий срок службы – производитель дает гарантию на панели от 20 до 25 лет. При этом обслуживание всей электростанции сводится к периодической (раз в 5-6 месяцев) очистке поверхностей панелей от грязи и пыли

Недостатки солнечных батарей

К сожалению, и этот практически неисчерпаемый источник энергии имеет определенные ограничения и недостатки:

• Высокая стоимость оборудования – автономная солнечная электростанция даже небольшой мощности доступна далеко не каждому. Оборудование частного дома такими аккумуляторами стоит недешево, но помогает снизить расходы на оплату коммунальных услуг (электроэнергии).
• Обустройство собственного жилища солнечными батареями потребует финансовых затрат.
• Периодичность генерации — солнечная электростанция не способна обеспечить полноценную бесперебойную электрификацию частного дома.

 Важно: Проблему можно решить, установив аккумуляторы высокой емкости, однако из-за этого возрастет стоимость получения энергии, что сделает ее невыгодной по сравнению с традиционными энергоносителями.

• Хранения энергии – в солнечной электростанции аккумуляторная батарея является самым дорогим элементом (даже батареи небольшого объема и панели на гелевой основе).
• Низкий уровень загрязнения окружающей среды – солнечная энергия считается экологически чистой, однако производственный процесс батарей сопровождается выбросами трифторида азота, оксидов серы. Все это создает «парниковый эффект».
• Использование в производстве редкоземельных элементов – тонкопленочные солнечные панели имеют в своем составе теллурид кадмия (CdTe).
• Плотность мощности – это количество энергии, которое можно получить с 1 кв. метра энергоносителя. В среднем этот показатель составляет 150-170 Вт/м2. Это гораздо больше по сравнению с другими альтернативными источниками энергии. Однако несравнимо, ниже чем у традиционных (это касается атомной энергетики).

Отопление солнечной энергией домов

Принцип работы солнечной батареи для отопления дома кардинально отличает их от всех описанных выше приспособлений. Это совершенно другое устройство. Описание следует ниже.

Главной деталью отопительной системы, работающей на энергии солнца, является коллектор, принимающий его свет и преобразовывающий его в кинетическую энергию. Площадь этого элемента может варьироваться от 30 до 70 квадратных метров.

Для крепления коллектора используется специальная техника. Между собой пластины соединены металлическими контактами.

Следующим компонентом системы является накопительный бойлер. В нем происходит трансформация кинетической энергии в тепловую. Он участвует в нагревании воды, литраж которой может достигать 300 литров. Иногда такие системы поддерживаются дополнительными котлами на сухом топливе.

Завершают систему солнечного отопления настенные и напольные элементы, в которых по тонким медным трубам, распределенным по всей их площади, циркулирует нагретая жидкость. Благодаря низкой температуре запуска панелей и равномерности теплоотдачи, помещение прогревается достаточно быстро.

Как работает солнечное отопление

Давайте подробно рассмотрим принцип работы солнечных батарей от ультрафиолетового света.

Между температурой коллектора и накопительного элемента появляется разница. Носитель тепла, что чаще всего является водой, в которую добавлен антифриз, начинает циркулировать о системе. Совершаемая жидкостью работа является именно кинетической энергией.

По мере прохождения жидкости через слои системы кинетическая энергия преобразовывается в тепло, которое и используется для отопления дома. Этот процесс циркуляции носителя обеспечивает помещение теплом и позволяет сохранять его в любое время суток и года.

Итак, мы выяснили принцип работы солнечных батарей.

Солнечные батареи принцип действия

Приборы, служащие для преобразования электроэнергии из солнечных лучей, в народе называют солнечными батареями. По сути, такие электрогенераторы работают пока светит солнце, а значит такой источник энергии является практически неиссякаемым.

История открытия солнечных батарей

Александр Эдмон Беккерель

В XIX веке (1839 год) в возрасте 12 лет, французский естествовед Александр Эдмон Беккерель увидел фотогальванический эффект, трудясь в лаборатории своего отца Антуана Беккереля. Суть эффекта состоял в том, что при освещении платиновых пластин, находящихся в растворе электролита, гальванометр зарегистрировал появление ЭДС (электродвижущая сила). Взяв за основу этот эффект, Беккерель спроектировал актинограф — прибор для регистрации интенсивности света.

Уиллоуби Смит

Дальнейшим шагом на пути к солнечным батареям стало открытие фотопроводимости селена. Его осуществил Уиллоби Смит, английский инженер-электрик, занимавшийся разработкой изоляции подводных кабелей. В 1873 году он обнаружил, что электрическое сопротивление серого селена сильно «прыгает» от замера к замеру. Оказывается электропроводность стержней из селена стремительно возрастает при попадании на света. А в 1883 году американец Чарльз Фритс произвел первый фотоэлемент из тонкого слоя селена, находящийся между пластинами золота и меди.

Генрих Герц

Немецкий физик Генрих Герц в 1887 году выявил влияние солнечного излучения на электрический разряд. Смотря одновременно 2 разряда, Герц отметил, что яркая вспышка света от электрической искры 1-го разряда повышает длительность другого разряда.

Александр Григорьевич Столетов

В 1888 году наш земляк Александр Григорьевич Столетов изучил, как разряжается под воздействием освещения отрицательно заряженный цинковый электрод и как данный процесс зависит от интенсивности света.

Благодаря работам английского физика Джозефа Томсона в 1899 году и немецкого физика Филиппа Ленарда в 1900 году было подтверждено, что свет, попадая на металлическую поверхность, выбивает из неё электроны, вызывая возникновения фототока. Но целиком понять естество данного явления получилось в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн предоставил его разъяснение с позиции квантовой теории.

Джозеф Томсон (слева) и Филипп Ленард (справа)

Обширное применение солнечных модулей началось с 1946 года, после того как работы по увеличению производительности приборов были запатентованы. А в 1957 году солнечные батареи уже были запущены в космическое пространство в составе искусственного спутника земли. Данный полет продемонстрировал, что работа солнечных батарей способна не только обеспечивать энергией спутники, а считается единственным возможным источником питания для бесперебойной работы таких автономных устройств в космосе.

Принцип работы и устройство солнечной батареи

Устройство и принцип действия солнечной батареи

На сегодняшний день солнечные преобразователи производятся в большинстве случаев из кремния. Отличают 2 вида передовых технологий, на базе которых функционируют батареи: поликристаллическая и монокристаллическая.

Поликристаллическая по стоимости ниже, благодаря чему не особо эффективная технология.

Монокристаллическая по стоимости выше, цена которой зависит от трудозатратной технологии изготовления, а точнее выращивания монокристаллов. Она предоставляет больше количества электроэнергии и срок службы ее существенно больше. Благодаря этому, монокристаллический солнечный модуль является наиболее лучшим для использования его в повседневной жизни.

Работа солнечного элемента сопряжена с его устройством. Состоит он из кремниевых наружных пластин, с различными свойствами проводимости, и внутреннего слоя чистого монокристаллического кремния. Внутренний слой имеет установленную дырочную проводимость. Один из наружных проводников тоньше противоположного слоя и покрыт особым слоем, образующим цельный металлический контакт.

При попадании на один из наружных слоев солнечного света создается фотогальванический эффект, что приводит к формированию в этом слое свободных электронов. Данные частицы получают вспомогательную энергию и способны преодолеть внутренний слой элемента, который в данном случае именуется барьером. Чем больше объем солнечного света, тем сильнее происходит процесс прохождения или перепрыгивания электронов от одной наружной пластины к другой, минуя внутреннюю перегородку. При замыкании наружных пластин возникает напряжение. Та пластина, которая усиленно отдает частицы, создает в себе так называемые дырки, обретает знак минус, а которая принимает, обретает знак плюс.

Типы солнечных батарей

На сегодняшний день на рынке присутствуют 5 видов солнечных батарей в которых используются разные материалы и фотоэлементы.

Максимальную известность приобрели солнечные батареи из поликристаллических фотоэлементов. Результативность подобных панелей обычно составляет 12-14 %.

Поликристаллическая солнечная батарея

Панели из монокристаллических фотоэлементов характеризуются наиболее большим коэффициентом полезного действия (14-16 %). Подобные панели немножко дороже, нежели панели из поликристаллического кремния. Так же фотоэлементы выполнены в виде многоугольника и из-за этого не целиком наполняют пространство солнечной батареи, что приводит к наиболее низкой производительности всей батареи по отношению к одной ячейки фотоэлемента.

Монокристаллическая солнечная батарея

Солнечные батареи из аморфного кремния располагают минимальной результативности (6-8 %), однако в то же время обладают низкой себестоимостью производимой энергии.

Солнечная батарея из аморфного кремния

Солнечные батареи на основе Теллурид Кадмия (CdTe) внешне изображают тонкопленочную технологию изготовления солнечных панелей. Полупроводниковые слои покрывают панель толщиной всего в несколько сотен микрон. Разработка считается наименее опасным для окружающей среды. Результативность солнечных батарей CdTe составляет примерно 11-12 %.

Солнечная батарея на основе Теллурид Кадмия (CdTe)

Солнечные батареи в составе которых присутствуют смеси Индия, Галлия, Меди, Селена (CIGS) так же считаются тонкопленочной технологией изготовления фотоэлементов. Эффективность колеблется примерно от 10 до 15 %. Такая технология не особо распространена на рынке, но весьма быстро развевается.

Солнечные батареи на основе смеси Индия, Галлия, Меди, Селена (CIGS)

Области применения солнечных панелей

• Портативная электроника. Для снабжения электричеством и(или) подзарядки аккумуляторных батареи разной бытовой электроники.
• Электромобили. Подзарядка автотранспорта.
• Авиация. Разработка самолета, использующего только энергию солнца.
• Энергообеспечение зданий. Электроснабжение дома, за счет размещения крупных солнечных батарей на крышах.
• Энергообеспечение населённых пунктов. Создание солнечных электростанций.
• Дорожное покрытие. Дороги, покрытые солнечными панелями, для освещения их же в ночное время.
• Использование в космосе. Электроснабжение космических аппаратов.
• Использование в медицине. Внедрение под кожу миниатюрную солнечную батарею для обеспечения работы приборов, имплантированных в тело.

Преимущества и недостатки солнечных источников энергии

Преимущества:

• Экологически чистая энергия;
• Неисчерпаемость и постоянство солнечной энергии;
• Минимум обслуживания;
• Длительный срок службы;
• Доступность;
• Экономичность;
• Большая область применения.

Недостатки:

• Высокая цена панелей;
• Нерегулярность из-за погодных условий;
• Высокая цена аккумуляторных батарей для аккумулирования энергии;
• Для большей мощности необходимо устанавливать большие площади солнечных панелей.

Таким образом, анализируя все вышеупомянутое, можно отметить, что в данный момент получить выгоду от солнечной энергии могут лишь достаточно богатые собственники загородных домов. Они могут без проблем дождаться того этапа, когда батареи окупят себя.

Солнечные батареи: принцип работы, как сделать своими руками в домашних условиях

Использование солнечной энергии для обеспечения жизненных потребностей в 21 веке является актуальным вопросом не только для корпораций, но и для населения. Теперь использование солнечных батарей для получения экологической электроэнергии привлекает много людей своей доступностью, автономностью, неиссякаемостью и минимальными вложениями. Теперь эти явления настолько привычны и обыденны, что уже давно прочно обосновались в нашу каждодневную жизнь.

Данный источник электроэнергии используется для освещения, функционирования бытовых электроприборов и отопления. Уличные фонари на солнечных батареях используются повсеместно в городской черте, на дачных участках и территориях загородных коттеджей.

Содержание

Принцип работы солнечной батареи

Устройство предназначено для непосредственного преобразования лучей солнца в электричество. Этот действие называется фотоэлектрическим эффектом. Полупроводники (кремневые пластины), которые используются для изготовления элементов, обладают положительными и отрицательными заряженными электронами и состоят их двух слоев n-слой (-) и р-слой (+). Излишние электроны под воздействием солнечного света выбиваются из слоев и занимают пустые места в другом слое. Это заставляет свободные электроны постоянно двигаться, переходя из одной пластины в другую вырабатывая электричество, которое накапливается в аккумуляторе.

Как работает солнечная батарея, во многом зависит от ее устройства. Первоначально фотоэлементы изготавливались из кремния. Они и сейчас очень популярны, но поскольку процесс очистки кремния достаточно трудоемок и затратен, разрабатываются модели с альтернативными фотоэлементами из соединений кадмия, меди, галлия и индия, но они менее производительны.

КПД солнечных батарей с развитием технологий вырос. На сегодняшний день это показатель возрос от одного процента, который регистрировался в начале столетия, до более двадцати процентов. Это позволяет в наши дни использовать панели не только для обеспечения бытовых нужд, но и производственных.

Технические характеристики

Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:

• Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;

• Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;

• Контроллер уровня заряда аккумулятора.

Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.

Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.

(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)

Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.

Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.

Установка солнечных батарей

Если конструкции будут использоваться для электрообеспечения жилых пространств, то место установки следует выбирать тщательно. Если панели будут загорожены высотными зданиями или деревьями, то трудно будет получить необходимую энергию. Их необходимо разместить там, где поток солнечных лучей максимален, то есть на южную сторону. Конструкцию лучше установить под наклоном, угол которого равен географической широте месторасположения системы.

Солнечные панели должны размещаться таким образом, чтобы хозяин имел возможность периодически очищать поверхность от пыли и грязи или снега, поскольку это приводит к более низкой способности выработки энергии.

Солнечная батарея своими руками

Те, кто хочет сэкономить, задумываются, как сделать солнечную батарею в домашних условиях самостоятельно, чтобы она обладала необходимыми эксплуатационными параметрами и полностью обеспечивала энергетические потребност. Это особенно актуально для мест отдаленных от главных артерий цивилизации.

Солнечные батареи своими руками в домашних условиях изготавливаются из соответствующих элементов, которые можно купить в открытом доступе в специализированных компаниях или через интернет магазины. Если кремниевые пластины должны приобретаться у производителей, то остальные элементы, такие как лента, рамка, пленка, стекло, припой и прочее можно вполне обнаружить и дома в хозяйстве.

Солнечная батарея своими руками из подручных средств изготавливается некоторыми умельцами из медных листов, зажимов, мощных электроплит, соли и из других материалов. Такие кустарные устройства не смогут полностью обеспечить необходимой электроэнергией и могут использоваться лишь в небольших масштабах.

Лучше всего солнечные батареи купить у производителя, поскольку они обладают гарантией и необходимыми функциональными и эксплуатационными параметрами, и, значит, не подведут. Производство солнечных батарей базируется на применении новейших технологий, которые постоянно развиваются, предлагая более усовершенствованные модели. В зависимости от размеров устройств, они могут использовать для различных целей в местах, где нет снабжения электроэнергией. Они встречаются на калькуляторах, часах, различных мобильных устройствах.

Так, например, рюкзак с солнечной батареей будет незаменимым помощником тех, кто любит путешествовать с комфортом. Он накопит достаточно энергии, чтобы зарядить фонарик для освещения туристической палатки или чтобы во время похода заряжать необходимые гаджеты. Судя по отзывам, солнечные батареи используются часто и с удовольствием для удовлетворения разнообразных нужд не только на природе, но и в быту.

Современные устройства со встроенными солнечными модулями

• Power bank с солнечной батареей – внешний накопитель с фотоэлементами для преобразования солнечных лучей в заряд аккумулятора. Он обладает несколькими портами и предназначен для зарядки смартфонов или планшетов. Это незаменимое устройство для тех кто, много времени тратят в дороге и пользуются гаджетами. Устройство, зависимо от модели может дополняться различными функциями, как, к примеру, фонариком.

• Робот конструктор – наборы с различными элементами, из которых можно собрать несколько конструкций, которые двигаются автономно. Это лучшая игрушка для любознательных детей. Робот конструктор на солнечной батарее купить интересно будет не только малышам, но и вполне взрослым дяденькам, поскольку захватывающим является не только движение робота, но и сам процесс сборки.

• Уличные садовые светильники на солнечных батареях – идеальное решение для сада, огорода или приусадебного участка. Благодаря накопленному заряду они будут светиться всю ночь. Для этого не нужно прокладывать специальную проводку. Их можно брать с собой на рыбалку или семейный поход. Чрезвычайная мобильность, компактность и удобство делают фонари самыми востребованными изделиями на солнечных батареях.

Возможности эксплуатации настолько разнообразны, а технологии так быстро развивается, что скоро солнечные модули охватят все сферы жизни современного человека.

Принцип работы солнечной батареи и ее устройство

Относительно недавно считалась фантастической сама идея обеспечивать частные дома электричеством автономно. Сегодня это объективная реальность. В Европе солнечные батареи используются уже продолжительное время, ведь это практически неисчерпаемый источник дешевой энергии. У нас получение электричества от таких устройств только обретает популярность. Данный процесс происходит не слишком быстро, и виной тому – высокая стоимость их.

Принцип работы солнечной батареи основан на том, что в двух кремниевых пластинах, покрытых разными веществами (бором и фосфором), под действием солнечного света возникает электрический ток. В пластине, которая покрыта фосфором, появляются свободные электроны.

Отсутствующие частицы образуются в тех пластинах, которые покрыты бором. Электроны начинают двигаться под действием света солнца. Так образуется электрический ток в солнечных батареях. Тонкие жилы из меди, которыми покрыта каждая батарея, отводят от нее ток и направляют по назначению.

С помощью одной пластины можно питать энергией небольшую лампочку. Вывод напрашивается сам собой. Для того, чтобы солнечные батареи обеспечивали дом электричеством достаточной мощности, нужно чтобы их площадь была довольно большой.

Кремниевые механизмы

Итак, принцип работы солнечной батареи понятен. Ток вырабатывается при воздействии ультрафиолетового света на специальные пластины. Если в качестве материала для создания таких пластин используется кремний, то батареи называются кремниевыми (или кремневодородными).

Подобные пластины требуют очень сложных систем производства. Это, в свою очередь, сильно влияет на стоимость изделий.

Кремниевые солнечные батареи бывают разных типов.

Монокристаллические преобразователи

Представляют собой панели со скошенными углами. Их цвет всегда чисто черный.

Если говорить о монокристаллических преобразователях, то принцип работы солнечной батареи кратко можно охарактеризовать как средне эффективный. Все ячейки светочувствительных элементов такой батареи направлены в одну сторону.

Это позволяет получить самый высокий результат среди подобных систем. КПД батарей этого типа достигает 25%.

Минусом является то, что такие панели должны быть всегда обращены лицевой стороной к солнцу.

Если солнце прячется за тучами, опускается к горизонту, или еще не успело взойти, то батареи будут вырабатывать ток довольно слабой мощности.

Поликристаллические

Пластины этих механизмов всегда квадратные, темно-синего цвета. В состав их поверхности включены неоднородные кристаллы кремния.

КПД поликристаллических батарей не настолько высок, как у монокристаллических моделей. Он может достигать 18%. Однако этот недостаток компенсируется достоинствами, о которых будет сказано ниже.

Принцип работы солнечной батареи этого типа позволяет изготавливать их не только из чистого кремния, но также из вторичных материалов. Этим объясняются некоторые дефекты, встречающиеся в оборудовании. Отличительной особенностью механизмов данного типа является то, что они могут достаточно эффективно вырабатывать электрический ток даже при пасмурной погоде. Такое полезное качество делает их незаменимыми в местах, где рассеянный солнечный свет является обычным повседневным явлением.

Аморфные панели из кремния

Аморфные панели дешевле остальных, это обуславливает принцип работы солнечной батареи и ее устройство. Каждая панель состоит из нескольких тончайших слоев кремния. Их изготавливают путем напыления частиц материала в вакууме на фольгу, стекло или пластмассу.

КПД панелей значительно меньше, чем у предыдущих моделей. Он достигает 6%. Кремниевые слои довольно быстро выгорают на солнце. Уже через полгода использования этих батарей их эффективность упадет на 15%, а иногда и на все 20.

Два года работы полностью исчерпают ресурс действующих веществ, и панель нужно будет менять.

Но есть два плюса, из-за которых эти батареи все же покупают. Во-первых, они работают даже в пасмурную погоду. Во-вторых, как уже говорилось, они не такие дорогие, как другие варианты.

Фотопреобразователи гибридного типа

Аморфный кремний является основой для расположения микрокристаллов. Принцип работы солнечной батареи делает ее похожей на поликристаллическую панель. Отличие батарей такого типа состоит в том, что они способны вырабатывать электрический ток большей мощности в условиях рассеянного солнечного света, например, в пасмурный день или на рассвете.

Кроме того, батареи работают под воздействием не только солнечного света, но и в инфракрасном спектре.

Полимерные пленочные солнечные преобразователи

У этой альтернативы панелям из кремния есть все шансы занять лидирующее положение на рынке солнечных батарей. Они напоминают пленку, состоящую из нескольких слоев. Среди них можно выделить сетку алюминиевых проводников, полимерный слой активного вещества, подложка из органики и защитной пленки.

Такие фотоэлементы, объединенные друг с другом, образуют пленочную солнечную батарею рулонного типа. Эти панели легче и компактнее кремниевых. При их изготовлении не используется дорогостоящий кремний, и сам процесс производства не такой затратный. Это делает рулонную панель дешевле всех прочих.

Принцип работы солнечной батареи делает их КПД не слишком высоким.

Он достигает 7%.

Процесс изготовления панелей этого типа сводится к многослойному печатанию на пленку фотоэлемента. Производство налажено в Дании.

Еще одним преимуществом является возможность резать рулонную батарею и подгонять ее под любой размер и форму.

Минус лишь один. Батареи только начали производить, поэтому еще довольно непросто ими обзавестись.

Но есть повод полагать, что эти элементы быстро обретут заслуженную хорошую репутацию среди потребителей, что даст изготовителям возможность наладить производство в более крупных масштабах.

Отопление солнечной энергией домов

Принцип работы солнечной батареи для отопления дома кардинально отличает их от всех описанных выше приспособлений. Это совершенно другое устройство. Описание следует ниже.

Главной деталью отопительной системы, работающей на энергии солнца, является коллектор, принимающий его свет и преобразовывающий его в кинетическую энергию. Площадь этого элемента может варьироваться от 30 до 70 квадратных метров.

Для крепления коллектора используется специальная техника. Между собой пластины соединены металлическими контактами.

Следующим компонентом системы является накопительный бойлер. В нем происходит трансформация кинетической энергии в тепловую. Он участвует в нагревании воды, литраж которой может достигать 300 литров. Иногда такие системы поддерживаются дополнительными котлами на сухом топливе.

Завершают систему солнечного отопления настенные и напольные элементы, в которых по тонким медным трубам, распределенным по всей их площади, циркулирует нагретая жидкость. Благодаря низкой температуре запуска панелей и равномерности теплоотдачи, помещение прогревается достаточно быстро.

Как работает солнечное отопление?

Давайте подробно рассмотрим принцип работы солнечных батарей от ультрафиолетового света.

Между температурой коллектора и накопительного элемента появляется разница. Носитель тепла, что чаще всего является водой, в которую добавлен антифриз, начинает циркулировать о системе. Совершаемая жидкостью работа является именно кинетической энергией.

По мере прохождения жидкости через слои системы кинетическая энергия преобразовывается в тепло, которое и используется для отопления дома. Этот процесс циркуляции носителя обеспечивает помещение теплом и позволяет сохранять его в любое время суток и года.

Итак, мы выяснили принцип работы солнечных батарей.

Принцип работы и устройство солнечной батареи

Одним из источников энергии является солнечная батарея, генерирующая альтернативную энергию Солнца. Она появилась сравнительно недавно, но уже успела обрести популярность в странах Евросоюза, за счет высокой эффективности и приемлемой стоимости.

Солнечная батарея является почти неисчерпаемым источником энергии, способным накапливать и преобразовывать световые лучи в энергию и электричество. В странах СНГ новый источник энергии постепенно только набирает популярность. (Кстати, статью о том, как выбрать солнечную батарею, Вы можете прочитать здесь.)

Компоненты

Само устройство и принцип работы энергоисточника можно называть простым. Оно состоит всего из двух частей:

• основного корпуса;
• преобразовательных блоков.

В большинстве случаев корпус делают из пластика. Он похож на обыкновенную плитку, к которой прикреплены преобразовательные блоки.

Преобразовательным блоком является кремниевая пластинка. Она может изготавливаться двумя способами:

• поликристаллическим;
• монокристаллическим.

Поликристаллический способ является менее затратным, а монокристаллический считается наиболее эффективным.

Все остальные дополнительные части (например, контроллеры и инверторы), гаджеты и микросхемы присоединяют только для увеличения работоспособности и функционирования источника энергии. Без них солнечная батарея также сможет работать.

Имейте в виду: для того чтобы данный источник начал функционировать нужно правильно и аккуратно подключить все преобразовательные блоки.

С расчётом мощности солнечных батарей может помочь данная статья: https://teplo.guru/eko/solnechnyie-batarei-kpd.html

Существует два вида их подключения:

• последовательное;
• параллельное.

Разница лишь в том, что в параллельном соединении происходит увеличение силы тока, а при последовательном увеличивается напряжение.

Если есть необходимость в максимальной работе сразу двух параметров, то используется параллельно-последовательное.

Но стоит учитывать, что высокие нагрузки могут способствовать тому, что некоторые контакты могут перегореть. Для предотвращения этого используют диоды.

Один диод способен защитить одну четвертую часть фотоэлемента. Если их нет в устройстве, то есть большая вероятность, что весь источник энергии прекратит своё функционирование после первого же дождя или урагана.

Важный момент: ни накопление, ни сила тока совершенно не соответствуют возможным параметрам современной бытовой техники, поэтому приходится перераспределять и накапливать электроэнергию.

Для этого рекомендуется дополнительно подключать минимум два аккумулятора. Один будет являться накопительным, а второй запасным или резервным.

Приведем пример работы дополнительных аккумуляторов. Когда на улице хорошая и солнечная погода, то заряд идет быстро и через малое количество времени появляется уже лишняя энергия.

Поэтому весь этот процесс контролирует специальный реостат, который способен в определенный момент перевести всю ненужную электроэнергию в дополнительные резервы.

Познакомиться с отзывами владельцев солнечных батарей можно в данной статье: https://teplo.guru/eko/solnechnyie-batarei-dlya-doma-otzyivy.html

Принцип работы

В чем же заключается принцип работы альтернативного источника энергии?

Во-первых, фотоэлементы являются кремниевыми пластинами. В свою очередь, кремний по своему химическому составу имеет максимальную схожесть с чистым силицием. Именно этот нюанс дал возможность понизить стоимость солнечной батареи и запустить ее уже на конвейер.

Кремний в обязательном порядке кристаллизуют, так как сам по себе он является полупроводником. Монокристаллы изготавливаются намного проще, но при этом не имеют много граней, за счет чего электроны имеют возможность двигаться прямолинейно.

Важно знать, что добавлением фосфора или мышьяка повышается электропроводность. Также, одним из важных свойств силиция является невидимость для инфракрасного излучения.

Благодаря этому элементу, преобразовательные блоки поглощают только полезные части солнечного спектра.

Последовательность действий солнечной батареи:

1. Принцип работы солнечной батареи. (Для увеличения нажмите)

   Энергия солнца попадает на пластины.

2. Пластины нагреваются и освобождают электроны.
3. Электроны активно двигаются по проводникам.
4. Проводники дают заряд аккумуляторам.

Вот мы и выяснили, из чего состоят солнечные батареи и каков их принцип действия.

Подробнее узнать об основных видах солнечных панелей можно здесь: https://teplo.guru/eko/vidyi-solnechnyih-paneley.html

В заключение хотелось бы добавить, что такую альтернативу можно сделать дома самостоятельно, при наличии всех необходимых частей.

Смотрите видео, в котором в легкой и познавательной форме объясняется принцип работы солнечных батарей:

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

О том, что с помощью солнечных батарей можно получать энергию и использовать ее в бытовых нуждах, известно не каждому. Такой способ получения электроэнергии не является особо распространенным, но с каждым годом набирает популярность. При наличии большого солнечного массива можно обеспечить током не только частный дом, но и промышленный объект. Принцип работы солнечной батареи довольно прост, поэтому нет никаких преград, чтобы воспользоваться такой возможностью получения экологичной энергии для личных целей.

Содержание статьи

Что такое солнечная батарея

Солнечными батареями можно обеспечить полное функционирование дома или другого объекта без привлечения дополнительного источника электроэнергии. Они считаются не только экологически чистыми, но и самыми эффективными при выработке энергии. Суть данного устройства заключается в специальных модулях-фотоэлементах, которые захватывают солнечную энергию и при помощи полупроводниковых устройств преобразовывают ее в ток.

Одна батарея содержит 36 элементов и представлена в виде прямоугольника размером с шифер. Есть, конечно, и другие вариации, но такой пример является наиболее популярным. Все модули покрываются пленкой или стеклом и между собой соединены, благодаря чему через эти дорожки ток поступает в инвертор, который на выходе дает нам привычную электроэнергию, которую можно использовать в любых целях.

Устройство батареи

Сегодня нет проблем, чтобы выбрать солнечную батарею. Товары в ассортименте отличаются устройством модуля, способом его работы и технологией производства.

Панели с кремниевыми фотоэлементами

Согласно названию, для таких панелей используется кремний, а если быть точнее, они изготавливаются на основе амфорного кремния. Этот вид модулей относится к тонкопленочным солнечным батареям. Это очень прочный и надежный материал, который может прослужить более 25 лет. Такой вид кремния образуется под раскаленным паром, благодаря чему кристаллам можно придать разную форму и размер. Однако процесс производства достаточно сложный, что не может не сказываться на цене изделия.

Батареи с кремниевым покрытием существуют в двух вариантах:

Монокристаллические

Относятся к дорогостоящим солнечным батареям, так как изготавливаются по особому принципу выращивания кристаллов, на что уходит много времени и сил. Монокристаллические панели представляют собой решетки из множества квадратов с немного подрезанными углами. Такие солнечные модули отличаются не только высоким качеством, но и максимальной производительностью. Они работают даже при сильно низкой температуре, занимают мало места и при этом их КПД не снижается. Владельцы кремниевых монокристаллических солнечных батарей отмечают длительность их использования – до 30 лет.

Поликристаллические

Главное отличие поликристаллических заключается в том, что они производятся с применением дешевого сырья, чаще всего это продукты переработки монокристаллических панелей. Для них не нужно выращивать кристаллы и сама технология более упрощенная. Но несмотря на это, они неплохо проявили себя в работе и могут использоваться даже при критически высоких и низких температурах.

Практически в 80% солнечных батарей установлены модули именно с кремниевыми пластинами.

Тонкопленочные панели

Суть тонкопленочных панелей заключается в особом производстве, где полупроводники наносятся непосредственно на пленку. В качестве полупроводников выступает сплавы меди-индия, теллурида кадмия и селенида. Они существенно отличаются от обычных солнечных батарей наличием панели-пленки, их можно скручивать и тем самым использовать на любой местности. Некоторые клеят их на внешнюю сторону окна, тем самым защищая дом от солнечных лучей и при этом получая небольшую порцию энергии. Ключевое слово здесь – небольшую. Тонкопленочные полупрозрачные панели отличаются низким КПД, то есть обеспечить электричеством весь дом не смогут даже при масштабном использовании. Из дополнительных преимуществ можно выделить маленький вес, простой способ монтажа и невысокую цену.

Концентраторные модули

Концентраторные солнечные батареи считаются самыми эффективными и наряду с этим самыми дорогими. У них наивысший процент фотоэлектрического преобразования, а все потому, что они состоят из многослойной структуры, которая отличается составом полупроводников. Самой успешной по действию признана трехслойная структура. Принципы работы ее в поглощении солнечного излучения по всей длине волн и во всем диапазоне. Подобного эффекта не имеют никакие другие солнечные батареи. Но они сложны в производстве и дороги, поэтому не особо популярны.

Покупка дорогих концентраторных модулей оправдана только для регионов с высокой солнечной радиацией, которая наблюдается на протяжении всего года.

Органические батареи

В батареи органического типа включены элементы, которые состоят из органических полимеров, отсюда и такое название. Это гибкая батарея, которая производится в любых размерах и печатается на пластике с помощью принтера. Суть технологии напрямую сказывается на производительности панели. Процент КПД у них достаточно низкий, зато они отличаются низкой ценой и экологической функцией. Они могут быть выполнены в любой удобной форме и размере, при этом с полным сохранением желаемой текстуры пластика. Некоторые такой вариант используют и как декор частного дома, и как подпитку электроэнергией.

Принцип работы солнечных панелей

Принцип работы

Теперь подробнее о работе солнечной батареи. Она состоит из двух пластин, изготовленных из кремния и покрытых с одной стороны бором, а с другой фосфором. Там, где батарея покрыта бором, частицы отсутствуют. Под действием солнечного света в пластине с фосфором появляются свободные электроны, которые начинаются перемещаться и создавать энергию. Чем больше солнечная радиация, тем больше энергии вырабатывается. Наибольшая эффективность зафиксирована при перпендикулярном попадании лучей.

Существенно снижают эффективность работы солнечных батарей не только пасмурные дни, но и пыль с грязью. Фотоэлементы не смогут вырабатывать заявленное количество свободных частиц, если пленка будет загрязненной.

Важным моментом является отведение заряженных частиц по назначению. Данная миссия возложена на тонкие жилы из меди, которые выступают своего рода соединяющим элементом. По этим медным путям энергия попадает в подсоединенный аккумулятор. Он собирает достаточное количество энергии и направляет его в инвертор, где постоянный ток от солнечного света преобразовывается в переменный с нужным напряжением для обеспечения бытовых потребностей (220В). С помощью одной пластины можно питать лампочку, но для поддержания всего дома потребуется купить не одну солнечную батарею с высокой мощностью.

Схема электропитания дома от солнца

Если вы хотите пользоваться солнечными батареями для обеспечения своего дома экологичным видом электроэнергии, то вы должны знать, как работает система и что от вас потребуется. Итак, схема электропитания включает в себя следующий набор обязательных устройств:

Суть солнечных батарей мы уже определили, а вот зачем нужно остальное оборудование? Аккумулятор позволяет собирать необходимое количество энергии и сохранять ее с целью использования в темное время суток или в пасмурные дни, когда солнечной радиации недостаточно для удовлетворения электрических потребностей. Контроллер не является обязательной частью, но с его помощью можно обезопасить батарею и аккумулятор от перепадов напряжения, а также полного разряжения. Такое решение позволяет сохранить срок службы солнечной системы.

Осталось разораться с инвертором. Без него вы не сможете использовать полученную энергию от солнца по назначению. Инвертор позволяет преобразовать постоянный солнечный ток в переменный с повышенным показателем напряжения сети. То есть, так как батареи выпускаются мощностью 12В, 24В и 48В, то инвертор путем трансформации «перерабатывает» его в привычные 220В. Лучше всего отдавать предпочтение трехфазным синусоидным инверторам. Они отличаются высокой надежностью и работой даже при самых низких температурах.

солнечных элементов | Определение, принцип работы и разработка

Солнечная батарея , также называемая фотоэлектрическая батарея , любое устройство, которое напрямую преобразует энергию света в электрическую энергию посредством фотоэлектрического эффекта. Подавляющее большинство солнечных элементов изготавливаются из кремния — с повышением эффективности и снижением стоимости, поскольку материалы варьируются от аморфных (некристаллических) до поликристаллических и кристаллических (монокристаллических) форм кремния.В отличие от батарей или топливных элементов, солнечные элементы не используют химические реакции или не требуют топлива для производства электроэнергии, и, в отличие от электрических генераторов, они не имеют движущихся частей.

диаграмма структуры солнечных элементов Часто используемая структура солнечных элементов. Во многих таких элементах слой поглотителя и слой заднего перехода выполнены из одного и того же материала. Энциклопедия Британника, Инк.

Британика Викторина

Электроника и гаджеты Викторина

Что из этого не телефон?

Солнечные элементы могут быть организованы в большие группы, называемые массивами.Эти массивы, состоящие из многих тысяч отдельных ячеек, могут функционировать в качестве центральных электростанций, преобразовывая солнечный свет в электрическую энергию для распределения промышленным, коммерческим и жилым пользователям. Солнечные элементы в гораздо меньших конфигурациях, обычно называемые панелями солнечных батарей или просто солнечными панелями, были установлены домовладельцами на их крышах, чтобы заменить или увеличить их обычное электроснабжение. Панели солнечных батарей также используются для обеспечения электроэнергией во многих удаленных наземных точках, где традиционные источники электроэнергии либо недоступны, либо слишком дороги для установки.Поскольку у них нет движущихся частей, которые могли бы нуждаться в техническом обслуживании, или топлива, которое потребовало бы пополнения, солнечные элементы обеспечивают питание для большинства космических установок, от коммуникаций и метеорологических спутников до космических станций. (Солнечная энергия недостаточна для космических зондов, отправляемых на внешние планеты Солнечной системы или в межзвездное пространство, однако из-за диффузии лучистой энергии на расстоянии от Солнца.) Солнечные элементы также использовались в потребительских товарах, таких как электронные игрушки, портативные калькуляторы и портативные радиостанции.В солнечных элементах, используемых в устройствах такого типа, может использоваться искусственное освещение (например, от ламп накаливания и люминесцентных ламп), а также солнечный свет.

Международная космическая станция Международная космическая станция (МКС) была построена в секциях, начиная с 1998 года. К декабрю 2000 года основные элементы частично завершенной станции включали соединительный узел американской постройки Unity и два российских блока — «Заря». силовой модуль и звезда, начальные жилые помещения. Российский космический корабль, на борту которого находился первый экипаж из трех человек, состыкован в конце Звезды.Фотография была сделана с космического корабля «Индевор». Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства

Несмотря на то, что общее производство фотоэлектрической энергии незначительно, оно может возрасти по мере сокращения ресурсов ископаемого топлива. Фактически, расчеты, основанные на прогнозируемом мировом потреблении энергии к 2030 году, показывают, что глобальные потребности в энергии будут удовлетворяться солнечными батареями, работающими с 20-процентной эффективностью и покрывающими лишь около 496 805 квадратных километров (191 817 квадратных миль) поверхности Земли.Материальные потребности были бы огромными, но выполнимыми, так как кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре. Эти факторы побудили сторонников солнечной энергетики представить будущую «солнечную экономику», в которой практически все потребности человечества в энергии удовлетворяются дешевым, чистым, возобновляемым солнечным светом.

Структура и работа солнечных батарей

Солнечные батареи, независимо от того, используются ли они на центральной электростанции, на спутнике или в калькуляторе, имеют одинаковую базовую структуру. Свет попадает в устройство через оптическое покрытие или антиотражающий слой, который сводит к минимуму потери света при отражении; он эффективно задерживает свет, падающий на солнечный элемент, способствуя его передаче слоям преобразования энергии ниже.Противоотражающий слой обычно представляет собой оксид кремния, тантала или титана, который формируется на поверхности ячейки методом центрифугирования или методом вакуумного осаждения.

солнечная энергия; солнечный элемент Солнечная энергетическая установка вырабатывает мегаватты электроэнергии. Напряжение генерируется солнечными элементами, изготовленными из специально обработанных полупроводниковых материалов, таких как кремний. Предоставлено Национальной лабораторией возобновляемой энергии Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 года с вашей подпиской.Подпишитесь сегодня

Три слоя преобразования энергии под антиотражающим слоем — это верхний соединительный слой, поглощающий слой, который составляет сердцевину устройства, и задний соединительный слой. Два дополнительных электрических контактных слоя необходимы для передачи электрического тока к внешней нагрузке и обратно в элемент, таким образом замыкая электрическую цепь. Слой электрического контакта на поверхности ячейки, куда входит свет, обычно присутствует в виде некоторой сетки и состоит из хорошего проводника, такого как металл.Поскольку металлические блоки светятся, линии сетки настолько тонки и широко разнесены, насколько это возможно, без ущерба для сбора тока, создаваемого ячейкой. Задний электрический контактный слой не имеет таких диаметрально противоположных ограничений. Он должен просто функционировать как электрический контакт и, таким образом, покрывать всю заднюю поверхность клеточной структуры. Поскольку задний слой также должен быть очень хорошим электрическим проводником, он всегда сделан из металла.

Поскольку большая часть энергии солнечного света и искусственного света находится в видимом диапазоне электромагнитного излучения, поглотитель солнечного элемента должен эффективно поглощать излучение на этих длинах волн.Материалы, которые сильно поглощают видимое излучение, относятся к классу веществ, известных как полупроводники. Полупроводники толщиной около одной сотой сантиметра или меньше могут поглощать весь падающий видимый свет; поскольку слои, образующие контакты и контактные слои, значительно тоньше, толщина солнечного элемента по существу равна толщине поглотителя. Примеры полупроводниковых материалов, используемых в солнечных элементах, включают кремний, арсенид галлия, фосфид индия и селенид индия меди.

Когда свет падает на солнечный элемент, электроны в слое поглотителя возбуждаются из «основного состояния» с более низкой энергией, в котором они связаны с конкретными атомами в твердом теле, до более высокого «возбужденного состояния», в котором они может двигаться через твердое тело.В отсутствие слоев, образующих соединение, эти «свободные» электроны находятся в случайном движении, и поэтому не может быть ориентированного постоянного тока. Однако добавление слоев, образующих соединение, индуцирует встроенное электрическое поле, которое создает фотоэлектрический эффект. По сути, электрическое поле дает общее движение электронам, которые проходят через слои электрического контакта во внешнюю цепь, где они могут выполнять полезную работу.

Материалы, используемые для двух слоев, образующих соединение, должны отличаться от поглотителя, чтобы создавать встроенное электрическое поле и проводить электрический ток.Следовательно, это могут быть разные полупроводники (или один и тот же полупроводник с разными типами проводимости), или они могут быть металлом и полупроводником. Материалы, используемые для создания различных слоев солнечных элементов, по существу такие же, как и материалы, используемые для изготовления диодов и транзисторов в твердотельной электронике и микроэлектронике ( см. Также электроника: оптоэлектроника). Солнечные элементы и микроэлектронные устройства используют одну и ту же базовую технологию. Однако при изготовлении солнечных элементов стараются создать устройство большой площади, поскольку вырабатываемая мощность пропорциональна освещаемой области.В микроэлектронике цель, конечно, состоит в том, чтобы создавать электронные компоненты все меньших размеров, чтобы увеличить их плотность и скорость работы в полупроводниковых микросхемах или интегральных схемах.

Фотоэлектрический процесс имеет определенное сходство с фотосинтезом, процессом, посредством которого энергия света преобразуется в химическую энергию растений. Поскольку солнечные элементы, очевидно, не могут производить электроэнергию в темноте, часть энергии, которую они вырабатывают под воздействием света, во многих приложениях сохраняется для использования, когда свет недоступен.Одним из распространенных способов хранения этой электрической энергии является зарядка электрохимических аккумуляторных батарей. Эта последовательность преобразования энергии света в энергию возбужденных электронов, а затем в запасенную химическую энергию поразительно похожа на процесс фотосинтеза.

принцип действия и сфера применения

Преобразование энергии солнца в электрическую энергию уже давно интересует разработчиков электронных схем. Использование солнечных элементов в различных устройствах открывает новые перспективы в их использовании. Бытовая техника, оснащенная такими приборами, становится энергонезависимой. Это сразу влияет на их производительность, они становятся более привлекательными для потребителя. Солнечные элементы используются в калькуляторах, что является хорошим примером их интеграции в электронные устройства.

Энергетические процессы, происходящие на Солнце? действительно колоссальны. В одну секунду в результате ядерного синтеза генерируется столько энергии, сколько человечество может потратить на полмиллиона лет. Взяв лишь небольшую часть этого процесса, вы можете надолго забыть об энергетических кризисах. Эта задача успешно решена солнечными батареями. Технология изготовления таких устройств постоянно совершенствуется, они становятся доступными, более компактными и, главное, более мощными. Уже сегодня есть целые электростанции, на которых работают солнечные элементы, вырабатывающие электроэнергию для нужд человека.

Дизайнеры спроектировали и построили «умные дома», которые стали энергонезависимыми в результате использования солнечных батарей. Энергия в этой структуре получается путем преобразования солнечного света в электричество, а также она накапливается в мощных батареях, чтобы покрыть дефицит облачности дней при необходимости. Солнечные батареи в таком доме расположены на крыше, а остальные установки соответственно в отдельной мансардной комнате.

Отдельно нужно поговорить об использовании солнечных батарей в автомобильной промышленности.Уже есть автомобили с гибридными двигателями, использующими энергию солнца. Они могут прилично экономить на топливе и экологически безопасны.

Для бытовых нужд вы можете изготовить аксессуары своими руками, для этого скудные детали не нужны. Найдите старые мощные транзисторы в металлическом корпусе и аккуратно отрежьте верхнюю крышку. Внутри вы увидите кристалл, вот что нам нужно. Когда свет попадает на него, на переходе база-эмиттер появляется разность потенциалов. Подключив такие элементы параллельно, мы увеличим емкость устройства.При последовательном соединении выходное напряжение увеличивается. Небольшая солнечная батарея, собранная таким образом, может стать источником питания для радиоприемника. Это весьма актуально на пикнике или в длительной поездке. Солнечный элемент может быть изготовлен с помощью мощных диодов. Для этого вам также необходимо выставить кристалл, сняв верхнюю крышку устройства.

Для сбора солнечной батареи рекомендуется использовать доску из текстолита, организующую предварительную сборку элементов по группам. Некоторые из этих групп связаны параллельно, а часть — последовательно.Получается смешанная связь всех элементов. Готовая солнечная батарея помещена в алюминиевую раму и покрыта стеклом с хорошей прозрачностью. После этого стекло фиксируется клеем. ,

Как работают солнечные батареи? | Фотоэлектрические элементы

Проще говоря, солнечная панель работает, позволяя фотонам или частицам света выбивать электроны, свободные от атомов, генерируя поток электричества. Солнечные панели на самом деле состоят из множества небольших блоков, называемых фотоэлементами. (Фотоэлектрические просто означают, что они преобразуют солнечный свет в электричество.) Многие элементы, соединенные вместе, образуют солнечную панель.

Каждый фотоэлектрический элемент — это, по сути, сэндвич, состоящий из двух кусков полупроводящего материала, обычно кремния — того же материала, который используется в микроэлектронике.

Для работы фотоэлементов необходимо создать электрическое поле. Как магнитное поле, которое возникает из-за противоположных полюсов, электрическое поле возникает, когда противоположные заряды разделены. Чтобы получить это поле, производители «допиливают» кремний другими материалами, придавая каждому кусочку бутерброда положительный или отрицательный электрический заряд.

В частности, они затравливают фосфор в верхний слой кремния, который добавляет в этот слой дополнительные электроны с отрицательным зарядом. Между тем, нижний слой получает дозу бора, что приводит к меньшему количеству электронов или положительному заряду.Все это создает электрическое поле на стыке между слоями кремния. Затем, когда фотон солнечного света освобождает электрон, электрическое поле вытолкнет этот электрон из соединения кремния.

Несколько других компонентов клетки превращают эти электроны в полезную энергию. Металлические проводящие пластины по бокам ячейки собирают электроны и переносят их на провода. В этот момент электроны могут течь как любой другой источник электричества.

В последнее время исследователи создали ультратонкие, гибкие солнечные элементы, которых всего 1.Толщина 3 микрона — примерно 1/100 ширины человеческого волоса — и в 20 раз легче, чем лист офисной бумаги. Фактически, клетки настолько легки, что могут сидеть на мыльном пузыре, и, тем не менее, они производят энергию примерно с такой же эффективностью, как солнечные элементы на основе стекла, сообщили ученые в исследовании, опубликованном в 2016 году в журнале Organic Electronics. Более легкие, более гибкие солнечные элементы, такие как они, могут быть интегрированы в архитектуру, аэрокосмические технологии или даже носимые электронные устройства.

Существуют и другие виды технологий использования солнечной энергии, в том числе солнечная тепловая и концентрированная солнечная энергия (CSP), которые работают не так, как фотоэлектрические солнечные панели, но все используют энергию солнечного света для создания электричества или нагрева воды или воздуха. ,

Примечание редактора : Эта статья была первоначально опубликована 16 декабря 2013 года и обновлена ​​6 декабря 2017 года с учетом последних достижений в области солнечных технологий.

Оригинальная статья о живой науке.

,

Принцип действия солнечной батареи и ее устройство

Относительно недавно считалось фантастическим, что сама идея обеспечения электричеством частных домов является автономной. Сегодня это объективная реальность. В Европе солнечные панели использовались в течение длительного времени, потому что это неиссякаемый источник дешевой энергии. У нас получение электричества от таких устройств только приобретает популярность. Этот процесс не слишком быстрый, и причиной этого является их высокая стоимость.

Принцип работы солнечной батареи основан на том факте, что в двух кремниевых пластинах, покрытых различными веществами (бор и фосфор), электрический ток возникает под воздействием солнечного света. В пластине, покрытой фосфором, появляются свободные электроны.

Отсутствующие частицы образуются в тех пластинах, которые покрыты бором. Электроны начинают двигаться под воздействием солнечного света. Таким образом, электрический ток формируется в солнечных батареях. Тонкие медные сердечники, которыми покрыта каждая батарея, удаляются из нее током и направляются к месту назначения.

С одной пластиной вы можете включить небольшую лампочку. Вывод напрашивается сам собой. Чтобы солнечные панели снабжали дом электричеством достаточной мощности, необходимо, чтобы их площадь была достаточно большой.

Кремниевые механизмы

Итак, принцип работы солнечной батареи понятен. Ток генерируется воздействием ультрафиолетового света на специальные пластины. Если в качестве материала для создания таких пластин используется кремний, батареи называют кремниевыми (или кремниевыми).

Такие плиты требуют очень сложных производственных систем. Это, в свою очередь, сильно влияет на стоимость продукции.

Кремниевые солнечные батареи бывают разных типов.

Монокристаллические преобразователи

Панели со скошенными углами. Их цвет всегда чисто черный.

Если говорить о монокристаллических преобразователях, то принцип работы солнечной батареи можно кратко охарактеризовать как средний эффективный. Все ячейки светочувствительных элементов такой батареи направлены в одном направлении.

Это позволяет получить самый высокий результат среди таких систем. КПД батарей этого типа достигает 25%.

Недостатком является то, что такие панели всегда должны быть обращены к солнцу.

Если солнце прячется за облаками, падает за горизонт или еще не взошло, батареи будут производить ток довольно слабой мощности.

Поликристаллический

Пластины этих механизмов всегда квадратные, темно-синие. В состав их поверхности входят неоднородные кристаллы кремния.

Эффективность поликристаллических батарей не так высока, как у монокристаллических моделей. Может достигать 18%. Однако этот недостаток компенсируется достоинствами, которые будут обсуждаться ниже.

Принцип действия солнечных батарей этого типа позволяет производить их не только из чистого кремния, но и из вторичных материалов. Это объясняет некоторые недостатки, обнаруженные в оборудовании. Отличительной особенностью механизмов этого типа является то, что они могут эффективно генерировать электрический ток даже в пасмурную погоду.Такое полезное качество делает их незаменимыми в местах, где рассеянный солнечный свет является обычным явлением.

Аморфные панели из кремния

Аморфные панели дешевле других, это определяет принцип действия солнечной батареи и ее устройства. Каждая панель состоит из нескольких тонких слоев кремния. Они изготавливаются путем распыления частиц материала в вакууме на фольгу, стекло или пластик.

КПД панелей значительно ниже, чем в предыдущих моделях.Достигает 6%. Силиконовые слои быстро выгорают на солнце. В течение шести месяцев использования этих батарей их эффективность снизится на 15%, а иногда и на все.

Два года работы полностью исчерпают ресурс активных веществ, и необходимо будет заменить панель.

Но есть два преимущества, из-за которых эти батареи еще покупают. Во-первых, они работают даже в пасмурную погоду. Во-вторых, как уже упоминалось, они не так дороги, как другие варианты.

Фотопары гибридного типа

Аморфный кремний является основой для размещения микрокристаллов.Принцип работы солнечной батареи делает ее похожей на поликристаллическую панель. Разница между батареями этого типа заключается в том, что они способны генерировать электрический ток большей мощности в условиях рассеянного солнечного света, например, в облачный день или на рассвете.

Кроме того, аккумуляторы работают под воздействием не только солнечного света, но и в инфракрасном спектре.

Полимерные пленочные солнечные преобразователи

Эта альтернатива кремниевым панелям имеет все шансы занять лидирующие позиции на рынке солнечных батарей.Они напоминают фильм, состоящий из нескольких слоев. Среди них можно выделить сеть из алюминиевых проводников, полимерный слой активного вещества, органическую подложку и защитную пленку.

Такие фотоэлементы в сочетании друг с другом образуют пленочную солнечную батарею рулонного типа. Эти панели легче и компактнее кремниевых. Когда они производятся, дорогой кремний не используется, а сам процесс производства не так уж дорог. Это делает раскатную доску дешевле, чем все остальные.

Принцип работы солнечных батарей делает их эффективность не слишком высокой.

Достигает 7%.

Процесс изготовления панелей этого типа сводится к многослойной печати на фотоэлементной пленке. Производство организовано в Дании.

Еще одним преимуществом является возможность разрезать свернутую батарею и настроить ее под любой размер и форму.

Минус только один. Аккумуляторы только начали производить, поэтому их все еще не так просто достать.

Но есть основания полагать, что эти элементы быстро получат заслуженную хорошую репутацию среди потребителей, что даст производителям возможность наладить производство в более широком масштабе.

Отопление солнечной энергией дома

Принцип работы солнечной батареи для отопления дома принципиально отличает их от всех устройств, описанных выше. Это совершенно другое устройство. Описание следует ниже.

Основная часть системы отопления, работающая на энергии солнца, — это коллектор, который получает свет и преобразует его в кинетическую энергию. Площадь этого элемента может варьироваться от 30 до 70 кв.

Для крепления коллектора используется специальная техника.Между пластинами соединены металлические контакты.

Следующим компонентом системы istorage котел. Он превращает кинетическую энергию в тепловую энергию. Участвует в подогреве воды, емкость которой может достигать 300 литров. Иногда такие системы поддерживаются дополнительными котлами на сухом топливе.

Заполните элементы пола солнечной системы отопления Walland, в которых нагретая жидкость циркулирует через тонкие медные трубы, распределенные по всей их площади. Благодаря низкой температуре запуска панелей и равномерности теплопередачи, помещение нагревается достаточно быстро.

Как работает солнечное отопление?

Давайте подробнее рассмотрим принцип действия солнечных элементов от ультрафиолета.

Между коллектором и элементом хранения существует разница. Теплоноситель, чаще всего вода, в которую добавлен антифриз, начинает циркулировать по системе. Работа, выполняемая жидкостью, является именно кинетической энергией.

Когда жидкость проходит через слои системы, кинетическая энергия преобразуется в тепло, которое используется для обогрева дома.Этот процесс циркуляции носителя обеспечивает помещение теплом и позволяет сохранить его в любое время суток или года.

Итак, мы выяснили принцип действия солнечных батарей.

р> ,

РубрикаРазное

Добавить комментарий Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.