Принцип работы солнечной батареи: как устроена и работает солнечная панель

Водяные часы

Данный способ управления поворотным устройством был изобретен одной предприимчивой канадской студенткой лет и отвечает за поворот лишь одной оси, горизонтальной.

Принцип работы также прост и заключается в следующем:

  1. Солнечная батарея устанавливается в изначальное положение, когда солнечные лучи попадают на фотоэлемент перпендикулярно.
  2. После этого к одной из сторон цепляют емкость с водой, а к другой стороне цепляют какой-нибудь предмет такого же веса, что и емкость с водой. Дно емкости должно обладать небольшим отверстием.
  3. Через него вода будет понемногу вытекать из емкости, из-за чего будет уменьшаться вес, а панель будет потихоньку наклоняться в сторону противовеса. Определить размеры отверстия для емкости придется экспериментально.

Данный способ является наиболее простым. К тому же он экономит материальные средства, которые ушли бы на покупку двигателя, как в случае с часовым механизмом. К тому же, провести монтаж поворотного механизма в виде водяных часов можно самостоятельно, даже не обладая какими-либо специальными знаниями.

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.
  • 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

Принцип работы солнечной батареи

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Затем важно, каким запасом энергии они обладают

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

Преимущества и недостатки

Солнечные батареи, так же как другие устройства обладают своими достоинствами и недостатками. К несомненным плюсам этих систем можно отнести следующие:

  • Возможность автономной работы позволяет организовать питание объектов, электронных устройств и освещения, удаленных на значительное расстояние от стационарных электрических сетей.
  • Значительная экономия денежных средств в процессе эксплуатации. Солнечный свет, превращающийся в электроэнергию, ничего не стоит и не требует дополнительных расходов. Платить приходится лишь за инверторы и аккумуляторные батареи, требующие периодической замены. И даже в этом случае солнечные панели окупятся примерно за 10 лет при среднем гарантийном сроке службы в 25-30 лет. При соблюдении всех правил эксплуатации, батареи смогут прослужить еще дольше.
  • По сравнению с обычными электростанциями, потребляющими топливо и загрязняющими окружающую среду, схема работы солнечных панелей отличается экологической чистотой и отсутствием шума.

Тем не менее, данные устройства обладают и серьезными недостатками, которые следует заранее учитывать в предварительных расчетах:

  • Высокая стоимость не только панелей, но и дополнительных компонентов – инверторов, контроллеров, аккумуляторных батарей.
  • Окупаемость наступает слишком долго. Деньги в течение длительного времени оказываются извлеченными из оборота.
  • Солнечные системы с фотоэлектрическими элементами требуют очень много места. Довольно часто для этих целей приходится задействовать не только всю крышу, но и стены здания, серьезно нарушая проектные дизайнерские решения. Дополнительное место необходимо аккумуляторным батареям с большой емкостью, которые в отдельных случаях могут занять целое помещение.
  • Процесс вырабатывания электроэнергии происходит неравномерно, в зависимости от времени суток. Этот недостаток компенсируется аккумуляторными батареями, которые днем накапливают электроэнергию, а ночью отдают ее потребителям.

Транзисторы, как основа световых элементов

Транзисторы подходят под нашу цель, так как внутри у них располагается довольно большой кремневый полупроводниковый элемент, который и будет использоваться для производства электричества. Лучше всего остановить свой выбор на транзисторах типа КТ или П.

Начинаем работу. В первую очередь срезаем металлическую крышку с необходимого количества радиодеталей. Это сделать проще, если зажать транзистор в тисках и произвести срез аккуратно ножовкой по металлу. Внутри вы увидите пластину. Это и есть главная часть нашего будущего устройства. Он будет служить нам фотоэлементом.

Деталь будет иметь три контакта: база, эмиттер и коллектор. Во время сборки выбирайте коллекторный переход в связи с наибольшей разностью потенциалов.

Своими руками сборку лучше делать на ровной поверхности из любого диэлектрического материала.

Те транзисторы, которые вы собираетесь использовать при создании солнечных батарей, перед работой следует проверить. Для этих целей берем простой мультиметр. Необходимо переключить прибор в режим измерения тока, включить его между базой и коллектором или эмиттером транзистора. Снимаем показатель – обычно прибор демонстрирует небольшой ток — доли миллиампера, реже чуть больше 1 мА. Далее переключаем прибор в режим измерения напряжения (предел 1-3 В), и получаем значение выходного напряжения (оно составит порядка нескольких десятых долей вольта). Транзисторы желательно группировать с близкими значениями выходных напряжений.

Монтаж

Солнечные панели крепятся на особую конструкцию, соединение с которой обуславливают способность фотоэлементов выдерживать любые неблагоприятные атмосферные воздействия, такие как сильный ветер, дождь или снег, а также способствует формированию корректного угла наклона.

Такая конструкция представлена в продаже в следующих вариантах:

  • наклонная – подобные системы оптимальны для монтажа на скатной кровле;
  • горизонтальная – эта конструкция крепится к плоским крышам;
  • свободностоящая – установить батареи подобного типа можно на крышах различного типа и размера.

Непосредственно процесс установки батарей проводится по следующей схеме:

для крепления каркаса панели необходимы угольники из металла размером 50х50 мм, а кроме того, потребуются угольники 25х25 мм, которые используют для распорных перекладин

Присутствие этих деталей позволяет добиться требуемой крепости и надежной устойчивости опорной конструкции, а также придает требуемую степень наклона;
нужно собрать каркас, для этого понадобятся болты размером 6 и 8 м;
конструкция крепится под покрытие кровли при помощи 12-миллиметровых шпилек;
в подготовленных угольниках формируются небольшие отверстия, в них закрепляются панели, а для более прочного сцепления следует применять шурупы;
во время монтажных работ следует особенное внимание уделить каркасу – в нем не должны возникать какие-либо перекосы. В противном случае может возникнуть перенапряжение системы, которое приведет к растрескиванию стекол.

Монтаж солнечных источников тепла и света на лоджии или на балконе происходит по подобной схеме. Единственным исключением является то, что каркас крепится на наклонной плоскости. Он монтируется между основной несущей стеной здания и торцом строения, обязательно на солнечной стороне. Самостоятельная сборка и установка солнечных батарей всех типов не требует опыта ведения строительных работ, однако, некоторые навыки монтажных работ все-таки потребуются. Если есть желание, то можно смело заняться установкой самостоятельно, однако, перед этим было бы неплохо почитать специальную литературу об особенностях установки палей и изучить мастер-классы, которые имеются в интернете, ну и, конечно же, запастись необходимыми инструментами.

Плюсы от работы своими руками очевидны – это экономия немалых денег на услугах специалистов, а также колоссальный опыт, который, возможно, понадобится в дальнейшем. В то же время если личных способностей окажется недостаточно, то можно не только потерять время, но и стать причиной поломки панелей либо их низкой эффективности.

Особенности

В наши дни максимальное распространение имеют батареи на базе фотоэлектрических поликристаллов. Такие модели отличаются оптимальным сочетанием стоимости и объемом выделяемой энергии, они характеризуются насыщенно-синей окраской и кристаллической структурой основных элементов. Они очень просты в монтаже, ведь справиться с их установкой в своем частном доме и на дачном участке сможет даже мастер без большого опыта работы. Монокристаллические фотоэлектрические панели являются вторыми по популярности.

Солнечные батареи, которые изготовлены с использованием аморфного кремния, отличаются довольно низкой эффективностью. Однако их цены несколько ниже, чем стоимость аналогов, поэтому модель пользуется спросом у собственников загородных домов. На данный момент подобные изделия составляют 85% рынка. Они не могут похвастаться высокой мощностью и модификации из теллурида кадмия, в основе их производства лежит высокотехнологичная пленочная методика: несколько сотен микрометров вещества наносят тончайшим слоем на прочную поверхность. Примечательно, что при очень низком уровне эффективности изделия его мощность довольно высокая.

Еще одним вариантом батарей, работающих от солнечной энергии, являются разновидности на базе полупроводника CIGS. Как и предыдущий вариант, они производятся по пленочной технологии, однако, показатель их эффективности гораздо выше. Отдельно стоит остановиться на механизме работы солнечных источников тепла и света. Главное – это четко осознавать, что общее количество вырабатываемой энергии никак не может находиться в зависимости от степени эффективности самого устройства, поскольку обычно все типы подобных устройств дают примерно идентичную мощность. Основная разница состоит лишь в том, что панели, которые имеют максимальную эффективность, требуют меньше места для своей установки.

Солнечные батареи имеют следующие преимущества:

  • экологичность установки;
  • длительный срок использования, на протяжении которого эксплуатационные особенности панелей остаются неизменно высокими;
  • технологии довольно редко ломаются, поэтому не нуждаются в сервисном и техническом обслуживании, а также дорогостоящем ремонте;
  • использование батарей на основе энергии солнца позволяет сократить расходы на электричество и газ в доме;
  • солнечные батареи отличаются исключительной простотой в использовании.

Впрочем, без недостатков тоже не обошлось, среди наиболее существенных можно обозначить следующие:

  • высокая сцена панелей;
  • потребность в установке разнообразного дополнительного оборудования для эффективной синхронизации энергии, получаемой от батареи, и того что получается от традиционных источников;
  • панели не могут использоваться в контакте с такими приборами, которые требуют высоких мощностей.

9. Особенности солнечных батарей с квантовыми точками

Последний перспективный вид батарей ближайшего будущего построен на свойствах физических квантовых точек – микроскопических включений полупроводников в тот или иной материал. Геометрически такие «точки» имеют размер в несколько нанометров и распределяются в материале так, чтобы охватить поглощение излучения всего солнечного спектра – ИК, видимого света и УФ.

Огромным преимуществом подобных панелей является возможность работать даже ночью, генерируя около 40% максимальной дневной мощности.

Физико-технические характеристики, сертификация и маркировка

Независимо от того, из чего сделаны солнечные батареи, каждая из них обладает рядом следующих важных характеристик: 

  • механические – геометрические параметры, общая масса, тип рамы, защитного стекла, количество ячеек, вид и ширина коннекторов;
  • электрические или вольтамперные – мощность, напряжение холостого хода, сила тока при максимальной нагрузке, эффективность панели в целом и отдельных ячеек в частности;
  • температурные – изменение КПД при повышении температуры на определенную единицу величины (обычно – 1 градус);
  • качественные – срок службы, скорость деградации ячеек, присутствие в рейтинговых списках Bloomberg;
  • функциональные – необходимость и удобство ухода, простота монтажа/демонтажа.

Промышленные солнечные панели, из каких бы материалов они не были сделаны, обязательно должны быть сертифицированы. Минимальными требованиями являются сертификаты качества ISO, СE, TUV (международные) и/или Таможенного союза (при продаже в его пределах).

Обязательной является и международные правила маркировки. Например, аббревиатура CHN-350M-72 содержит следующие сведения:

  • CHN – идентификатор компании-изготовителя (в данном случае – китайской СhinaLand);
  • 350 – мощность панели в ваттах;
  • M – обозначение монокристаллического кремния; 
  • 72 – число фотоэлектрических ячеек в модуле.

Из чего можно сделать солнечные батареи своими руками дома

Для этого необходимо следующее:

Предварительно начерченная схема и проведенные расчеты.
Определенное количество солнечных ячеек заводского изготовления – купить их дешевле всего в сети, например, на сайте Aliexpress или в других сетевых магазинах

Обращайте внимание на то, чтобы все элементы имели одинаковые электрические характеристики. Самодельный каркас из бруса и фанеры – правила его сборки можно посмотреть на многочисленных видео в сети

Оргстекло или плексиглас для поверхностного защитного покрытия.
Краска и термостойкий клей для обработки деревянных поверхностей.
Контактные полосы и провода для соединения ячеек. Схемы различные способов соединения также можно изучить в интернете.
Паяльник и припой. Паяльные работы следует проводить очень внимательно, чтобы не испортить будущее изделие.
Силиконовый клей и саморезы для закрепления сборной батареи в каркасе.

Небольшая батарея потребует около 30-50 долларов вложений, в то время как заводской вариант аналогичной мощности обойдется всего на 10-20% дороже.

Разумеется, подобная самодельная конструкция не прослужит 25 лет, не будет обладать мощностью полноценной солнечной электростанции и не сможет похвастаться значительным КПД. Однако стоимость ее будет минимальной настолько, насколько это возможно.

Устройство солнечной батареи

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

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

Adblock
detector