Принцип работы солнечной батареи: как устроена и работает солнечная панель. Солнечные кремниевые батареи

Солнечная батарея своими руками: как сделать самодельный прибор

Солнечные батареи — источник получения энергии, которую можно направить на выработку электричества или тепла для малоэтажного дома. Вот только солнечные батареи имеют высокую стоимость и недоступны большинству жителей нашей страны. Согласны?

Другое дело, когда сделана солнечная батарея своими руками — затраты значительно уменьшаются, а работает такая конструкция ничуть не хуже, чем панель промышленного производства. Поэтому, если вы всерьез задумываетесь о приобретении альтернативного источника электроэнергии, попытайтесь сделать его своими руками – это не очень сложно.

В статье речь пойдет об изготовлении солнечных батарей. Мы расскажем, какие материалы, и инструменты для этого потребуются. А немного ниже вы найдете пошаговую инструкцию с иллюстрациями, которые наглядно демонстрируют ход работы.

Содержание статьи:

Коротко об устройстве и работе

Энергию солнца можно преобразовать в тепловую, когда энергоносителем является жидкость-теплоноситель или в электрическую, собираемую в аккумуляторах. Батарея представляет собой генератор, работающий на принципе фотоэлектрического эффекта.

Преобразование энергии солнца в электроэнергию происходит после попадания солнечных лучей на пластины-фотоэлементы, которые являются основной частью батареи.

При этом световые кванты «отпускают» свои электроны с крайних орбит. Эти свободные электроны дают электрический ток, который проходит через контроллер и скапливается в аккумуляторе, а оттуда поступает энергопотребителям.

Галерея изображений

Фото из

Сборка солнечной батареи из кремниевых пластинок

Формирование плюсовой токоведущей дорожки

Создание минусовых токоведущих линий с задней стороны

Подключение проводника и блокирующего диода

В роли пластин-фотоэлементов выступают элементы из кремния. Кремниевая пластина с одной стороны покрыта тончайшим слоем фосфора или бора — пассивного химического элемента.

В этом месте под действием солнечных лучей высвобождается большое количество электронов, которые удерживаются фосфорной плёнкой и не разлетаются.

На поверхности пластины имеются металлические «дорожки», на которых выстраиваются свободные электроны, образуя упорядоченное движение, т.е. электрический ток.

Чем больше таких кремниевых пластин-фотоэлементов, тем больше электрического тока можно получить.

Верхний слой пластин-фотоэлементов покрыт слоем, который не допускает отражение солнечного света от пластин, повышая их КПД (+)

Материалы для создания солнечной пластины

Приступая к сооружению солнечной батареи необходимо запастись следующими материалами:

• силикатные пластины-фотоэлементы;
• листы ДСП, алюминиевые уголки и рейки;
• жёсткий поролон толщиной 1,5-2,5 см;
• прозрачный элемент, выполняющий роль основания для кремниевых пластин;
• шурупы, саморезы;
• силиконовой герметик для наружных работ;
• электрические провода, диоды, клеммы.

Количество требуемых материалов зависит от размера вашей батареи, которая чаще всего ограничивается количеством доступных фотоэлементов. Из инструментов вам понадобиться: шуруповёрт или набор отвёрток, ножовка по металлу и дереву, паяльник. Для проведения испытаний готовой батареи понадобиться тестер-амперметр.

Теперь рассмотрим самые важные материалы более подробно.

Кремниевые пластины или фотоэлементы

Фотоэлементы для батарей бывают трёх видов:

• поликристаллические;
• монокристаллические;
• аморфные.

Поликристаллические пластины характеризуются низким КПД. Размер полезного действия составляет около 10 — 12 %, но зато этот показатель не понижается с течением времени. Продолжительность работы поликристаллов — 10 лет.

Солнечную батарею собирают из модулей, которые в свою очередь составляют из фотоэлектрических преобразователей. Батареи с жесткими кремниевыми фотоэлементами представляют собой некий сэндвич с последовательно расположенными слоями, закрепленными в алюминиевом профиле (+)

Монокристаллические фотоэлементы могут похвастаться более высоким КПД — 13-25% и долгими сроками работы – свыше 25 лет. Однако со временем КПД монокристаллов снижается.

Монокристаллические преобразователи получают путем пиления искусственно выращенных кристаллов, что и объясняет наиболее высокую фотопроводимость и производительность.

Пленочные фотопреобразователи получают путем нанесения тонкого слоя аморфного кремния на полимерную гибкую поверхность

Гибкие батареи с аморфным кремнием — самые современные. Фотоэлектрический преобразователь у них напылен или наплавлен на полимерную основу. КПД в районе 5 — 6 %, но пленочные системы крайне удобны в укладке.

Пленочные системы с аморфными фотопреобразователями появились сравнительно недавно. Это предельно простой и максимально дешевый вид, но быстрее соперников теряющий потребительские качества.

Нецелесообразно использовать фотоэлементы разного размера. В данном случае максимальный ток, вырабатываемый батарей, будет ограничен током наиболее маленького по размеру элемента. Значит, более крупные пластины не будут работать на полную мощность.

При покупке фотоэлементов поинтересуйтесь у продавца способом доставки, большинство продавцов используют метод воскования, чтобы предотвратить разрушение хрупких элементов

Чаще всего для самодельных батарей используются моно- и поликристаллические фотоэлементы размером 3х6 дюймов, которые можно заказать в интернет-магазинах типа Е-бай.

Стоимость фотоэлементов достаточно высока, но многие магазины продают так называемые элементы группы В. Изделия, отнесённые к этой группе имеют брак, но пригодны к использованию, а их стоимость ниже, чем у стандартных пластин на 40-60%.

Большинство интернет-магазинов продают фотоэлементы комплектами по 36 или 72 фотоэлектрической преобразовательной пластины. Для соединения отдельных модулей в батарею потребуются шины, для подключения к системе нужны будут клеммы.

Галерея изображений

Фото из

Поликристаллическая фотоэлектрическая пластина

Лицевая и тыльная стороны кремниевой пластины

Монокристаллическая фотоэлектрическая пластина

Обратная сторона монокристаллической пластины

Каркас и прозрачный элемент

Каркас для будущей панели можно сделать из деревянных реек или алюминиевых уголков. Второй вариант более предпочтителен по целому ряду причин:

• Алюминий — лёгкий металл, не дающий серьёзной нагрузки на опорную конструкцию, на которую планируется установка батареи.
• При проведении антикоррозийной обработки алюминий не подвержен воздействию ржавчины.
• Не впитывает влагу из окружающей среды, не гниёт.

При выборе прозрачного элемента необходимо обратить внимание на такие параметры, как показатель преломления солнечного света и способность поглощать ИК-излучение.

От первого показателя напрямую будет зависеть КПД фотоэлементов: чем показатель преломления ниже, тем выше КПД кремниевых пластин.

Минимальный коэффициент светоотражения у плексиглас или более дешёвого его варианта — оргстекла. Чуть ниже показатель преломления света у поликарбоната.

От величины второго показателя зависит, будут ли нагреваться сами кремниевые фотоэлементы или нет. Чем меньше пластины подвергаются нагреванию, тем дольше они прослужат. ИК-излучения лучше всего поглощает специальное термопоглощающее оргстекло и стекло с ИК-поглощением. Немного хуже — обычное стекло.

Если есть возможность, то оптимальным вариантом будет использование в качестве прозрачного элемента антибликового прозрачного стекла.

По соотношению стоимости к показателям преломления света и поглощения ИК-излучения оргстекло — самый оптимальный вариант для изготовления гелиобатареи

Проект системы и выбор места

Проект гелиосистемы включает в себя расчёты необходимого размера солнечной пластины. Как было сказано выше, размер батареи, как правило, ограничен дорогостоящими фотоэлементами.

Гелиобатарея должна устанавливаться под определённым углом, который обеспечил бы максимальное попадание на кремниевые пластины солнечных лучей. Наилучший вариант — батареи, которые могут менять угол наклона.

Место установки солнечных пластин может быть самым разнообразным: на земле, на скатной или плоской крыше дома, на крышах подсобных помещений.

Единственное условие — батарея должна быть размещена на солнечной, не затененной высокой кроной деревьев стороне участка или дома. При этом оптимальный угол наклона необходимо вычислить по формуле или с применением специализированного калькулятора.

Угол наклона будет зависеть от месторасположения дома, времени года и климата. Желательно, чтобы у батареи была возможность менять угол наклона вслед за сезонными изменениями высоты солнца, т.к. максимально эффективно они работают при падении солнечных лучей строго перпендикулярно поверхности.

Для европейской части стран СНГ рекомендуемый угол стационарного наклона 50 — 60 º. Если в конструкции предусмотрено устройство для изменения угла наклона, то в зимний период лучше располагать батареи под 70 º к горизонту, в летнее время под углом 30 º

Расчёты показывают, что 1 квадратный метр гелиосистемы даёт возможность получить 120 Вт. Поэтому путём расчетов можно установить, что для обеспечения среднестатистической семьи электроэнергией в количестве 300кВт в месяц необходима гелиосистема минимум в 20 квадратных метров.

Сразу установить такую гелиосистему будет проблематично. Но даже монтаж 5-ти метровой батареи поможет сэкономить электроэнергию и внести свой скромный вклад в экологию нашей планеты.

Солнечная батарея может использоваться в качестве резервного энергоисточника при частом отключении централизованного энергоснабжения. Для автоматического переключения необходимо предусмотреть систему бесперебойного питания.

Подобная система удобна тем, что при использовании традиционного источника электроэнергии одновременно производится зарядка аккумулятора гелиосистемы. Оборудование обслуживающее гелиобатарею размещается внутри дома, поэтому необходимо предусмотреть для него специальное помещение.

Размещая батареи на наклонной крыше дома, не забывайте об угле наклона панели, идеальный вариант, когда у батареи есть устройство для сезонного изменения угла наклона

Монтаж солнечной батареи по шагам

Выбрав место для размещения солнечной панели и оборудования для обслуживания гелиосистемы, а также имея в наличии все требуемые материалы и инструменты, можно начинать монтаж батареи.

При монтаже необходимо соблюдать технику безопасности, особенно осуществляя установку готовой панели на крышу дома. Рассмотрим пошаговый алгоритм, как сделать солнечную батарею.

Шаг #1. Пайка контактов кремниевых пластин

Монтаж самодельной солнечной батареи часто начинается с пайки проводников фотоэлементов. Безусловно, если у вас есть возможность, то лучше всего купить фотоэлементы сразу с проводниками, т.к. пайка — очень непростая и кропотливая работа, занимающая много времени. Пайка осуществляется следующим образом:

1. Берётся кремниевый фотоэлемент без проводников и металлическая полоса-проводник.
2. Проводники нарезаются при помощи картонной заготовки, их длина в 2 раза больше, чем размер кремниевой пластины.
3. Проводник аккуратно выкладывается на пластину. На один элемент — два проводника.
4. На место, где будет производиться спайка, необходимо нанести кислоту для работы с паяльником.
5. Произвести пайку при помощи паяльника, аккуратно присоединив проводник к пластине.

В процессе пайки нельзя давить на силикатный элемент, т.к. он очень хрупкий и может разрушиться! Если вам посчастливилось, и вы приобрели фотоэлементы с готовыми контактами, то вы избавите себя от долгой и сложной работы, переходя сразу к изготовлению каркаса для будущей батареи.

Пайка контактов для бракованных фотоэлементов группы В производится так же и в том же направлении, что и для целых пластин

Шаг #2. Изготовление каркаса для солнечной батареи

Каркас — это место, куда будут устанавливаться фотоэлементы. Для изготовления каркаса берутся алюминиевые уголки и рейки, из которых складываются рамки. Рекомендуемый размер уголка — 70-90 мм.

На внутреннюю часть металлических уголков наносится силиконовый герметик. Герметизацию уголков необходимо произвести тщательно, от этого зависит долговечность всей конструкции.

После того, как алюминиевая рамка готова, приступаем к изготовлению заднего корпуса. Задний корпус представляет собой деревянный ящик из ДСП с невысокими бортиками.

Высокие борта будут создавать тень на фотоэлементах, поэтому их высота не должна превышать 2 см. Бортики привинчиваются при помощи саморезов и шуруповёрта.

Галерея изображений

Фото из

Изготовление корпуса для солнечной батареи

Вентиляционные отверстия в бортиках корпуса

Подложка для крепления кремниевых пластин

Окрашивание деталей корпуса для гидроизоляции

На дне ящика-корпуса из ДСП делаются вентиляционные отверстия. Расстояние между отверстиями примерно 10 см. В алюминиевую раму устанавливается прозрачный элемент (оргстекло, антибликовое стекло, плексиглас).

Прозрачный элемент прижимается и фиксируется, его крепление осуществляется при помощи метизов: 4 по углам, а также по 2 с длинных и по 1 с короткой стороны рамы. Метизы крепятся шурупами.

Каркас для гелиобатареи готов и можно приступать к самой ответственной части — монтажу фотоэлементов. Перед монтажом необходимо очистить оргстекло от пыли и обезжирить спиртсодержащей жидкостью.

Шаг #3. Монтаж кремниевых пластин-фотоэлементов

Монтаж и пайка кремниевых пластин — самая трудоёмкая часть работы по созданию солнечной панели своими руками. Сначала раскладываем фотоэлементы на оргстекло синими пластинами вниз.

Если вы впервые собирайте батарею, то можно воспользоваться подложкой для нанесения разметки, чтобы расположить пластины ровно на небольшом (3-5 мм) расстоянии друг от друга.

1. Производим пайку фотоэлементов по следующей электросхеме: «+» дорожки расположены на лицевой стороне пластины, «-» — на обратной. Перед пайкой аккуратно наносит флюс и припой, чтобы соединить контакты.
2. Производим пайку всех фотоэлементов последовательно рядами сверху вниз. Ряды затем должны быть также соединены между собой.
3. Приступаем к приклеиванию фотоэлементов. Для этого наносим небольшое количество герметика на центр каждой кремниевой пластины.
4. Переворачиваем получившиеся цепочки с фотоэлементами лицевой стороной (там, где синие пластины) вверх и размещаем пластины по разметке, которую нанесли ранее. Осторожно прижимаем каждую пластину, чтобы зафиксировать её на своём месте.
5. Контакты крайних фотоэлементов выводим на шину, соответственно «+» и «-«. Для шины рекомендуется использовать более широкий проводник из серебра.
6. Гелиобатарею необходимо оснастить блокирующим диодом, который соединяется с контактами и предотвращает разрядку аккумуляторов через конструкцию в ночное время.
7. В дне каркаса сверлим отверстия для вывода проводов наружу.

Провода необходимо прикрепить к каркасу, чтобы они не болтались, сделать это можно используя силиконовый герметик.

Галерея изображений

Фото из

Подготовка кремниевых пластин к пайке

Сушка избавленных от воска элементов батареи

Вычерчивание абриса пластинок на подложке

Процесс пайки фотоэлектрических элементов батареи

Соединение кремниевых пластин в солнечную батарею

Соединение кремниевых пластин с лицевой стороны

Устройство медных токоведущих шин прибора

Проверка работоспособности части батареи

Шаг #4. Тестирование батареи перед герметизацией

Тестирование солнечной панели необходимо проводить до её герметизации, чтобы иметь возможность устранить неисправности, которые часто возникают во время пайки. Лучше всего производить тестирование после спайки каждого ряда элементов — так значительно проще обнаружить, где контакты соединены плохо.

Для тестирования вам понадобиться обычный бытовой амперметр. Измерения необходимо проводить в солнечный день в 13-14 часов, солнце не должно быть скрыто облаками.

Выносим батарею на улицу и устанавливаем в соответствии с ранее рассчитанным углом наклона. Амперметр подключаем к контактам батареи и проводим измерение тока короткого замыкания.

Смысл тестирования заключается в том, что рабочая сила электрического тока должна быть на 0,5-1,0 А ниже, чем ток короткого замыкания. Показания прибора должны быть выше 4,5 А, что говорит о работоспособности гелиобатареи.

Если тестер выдаёт меньшие показания, то где-то наверняка нарушена последовательность соединения фотоэлементов.

Обычно самодельная солнечная батарея, сконструированная из фотоэлементов группы В выдаёт показания 5-10 А, что на 10-20% ниже, чем у солнечных панелей промышленного производства.

Галерея изображений

Фото из

Шаг 9: После проверки работоспособности частей батареи, запаянных на подложке, их располагают в корпусе

Шаг 10: Подложки с пластинами внутри корпуса фиксируются на четыре шурупа. Провод, соединяющий части батареи, выводится через вентиляционные отверстия

Шаг 11: К каждой из половин сооружаемой батареи последовательно подключается диод Шоттки. Его минус подключается к плюсу системы

Шаг 12: Для вывода проводов из корпуса высверливается отверстие. Провода скреплены узлом, чтобы не болтались, и зафиксированы герметиком

Шаг 13: После нанесения герметика необходимо сделать технологический перерыв, отпущенный на полимеризацию состава

Шаг 14: К выведенному из солнечной батареи проводу подсоединяется двухконтактный разъем. Принадлежащая ему розетка крепится на аккумуляторе прибора, который будет заряжать батарея

Шаг 15: После сборки обеих частей прибора и вывода силовой линии наружу батарею закрывают заранее подготовленным экраном

Шаг 16: Перед герметизацией стыков гелиоприбора еще раз проводится проверка работоспособности, чтобы вовремя устранить отошедшие контакты, если они будут обнаружены

Установка обеих частей батареи в подготовленный корпус

Крепление основы солнечной батареи внутри корпуса

Установка блокирующего диода Шоттки

Вывод из корпуса наружу проводов прибора

Ожидание затвердевания герметика

Крепление двухконтактного разъема к проводу

Установка светопропускающего экрана на прибор

Контроль работоспособности перед герметизацией

Шаг #5. Герметизация уложенных в корпус фотоэлементов

Герметизацию можно производить, только убедившись, что батарея работает. Для герметизации лучше всего использовать эпоксидный компаунд, но учитывая, что расход материала будет большой, а стоимость его составляет примерно 40-45 долларов. Если дороговато, то вместо него можно применять всё тот же силиконовый герметик.

Используя силиконовой герметик, отдавайте предпочтения тому, на упаковке которого указано, что он подходит для использования при минусовых температурах

Существует два способа герметизации:

• полная заливка, когда панели заливаются герметиком;
• нанесение герметика на пространство между фотоэлементами и на крайние элементы.

В первом случае герметизация будет более надёжной. После заливки герметик должен схватиться. Затем сверху устанавливается оргстекло и плотно прижимается к пластинам, покрытым силиконом.

Для обеспечения амортизации и дополнительной защиты между задней поверхностью фотоэлементов и каркасом из ДСП многие мастера советуют устанавливать прокладку из жёсткого поролона шириной 1,5-2,5 см.

Делать это необязательно, но желательно, учитывая, что кремниевые пластины достаточно хрупкие и легко повреждаются.

После установки оргстекла на конструкцию ставят груз, под действием которого происходит выдавливание пузырьков воздуха. Солнечная батарея готова и после повторного тестирования её можно устанавливать в заранее выбранное место и подключать к гелиосистеме вашего дома.

Полезное видео по теме

Обзор фотоэлементов, заказанных в китайском интернет-магазине:

Видео-инструкция по изготовлению солнечной батареи:

Сделать солнечную батарею своими руками — не простая задача. КПД большинства таких батарей ниже, чем у панелей промышленного производства на 10-20%. Самое важное при конструировании солнечной батареи — правильно выбрать и установить фотоэлементы. Не пытайтесь сразу создать огромную по площади панель. Попробуйте сначала соорудить маленький прибор, чтобы понять все нюансы этого процесса.

sovet-ingenera.com

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Эффективное преобразование бесплатных лучей солнца в энергию, которую можно использовать для электроснабжения жилья и иных объектов, – заветная мечта многих апологетов зеленой энергетики.

Но принцип работы солнечной батареи, и ее КПД таковы, что о высокой эффективности таких систем пока говорить не приходится. Было бы неплохо обзавестись собственным дополнительным источником электроэнергии. Не так ли? Тем более что уже сегодня и в России с помощью гелиопанелей “дармовой” электроэнергией успешно снабжается немалое количество частных домохозяйств. Вы все еще не знаете с чего начать?

Ниже мы расскажем вам об устройстве и принципах работы солнечной панели, вы узнаете, от чего зависит эффективность гелиосистемы. А размещенные в статье видеоролики помогут собственноручно собрать солнечную панель из фотоэлементов.

Содержание статьи:

Солнечные батареи: терминология

В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.

По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.

Максимум отдачи от солнечной панели можно будет получить, только зная, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как все это правильно подключается

Вначале следует разобраться в существующих разновидностях оборудования для гелиоэнергетики. Солнечные батареи и солнечные коллекторы – это два принципиально разных устройства. Оба они преобразуют энергию лучей солнца.

Однако в первом случае на выходе потребитель получает энергию электрическую, а во втором тепловую в виде нагретого теплоносителя.

Второй нюанс – это понятие самого термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается некое аккумулирующее электроэнергию устройство. Либо на ум приходит банальный отопительный радиатор. Однако в случае с гелиобатареями ситуация кардинально иная. Они ничего в себе не накапливают.

Солнечной панелью генерируется постоянный электроток. Чтобы преобразовать его в переменный (используемый в быту), в схеме должен присутствовать инвертор

Солнечные батареи предназначены исключительно для генерации электрического тока. Он, в свою очередь, накапливается для снабжения дома электричеством ночью, когда солнце опускается за горизонт, уже в присутствующих дополнительно в схеме энергообеспечения объекта аккумуляторах.

Батарея здесь подразумевается в контексте некой совокупности однотипных компонентов, собранных в нечто единое целое. Фактически это просто панель из нескольких одинаковых фотоэлементов.

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. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого.

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 50–550С. 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.

Эффективность батарей гелиосистемы

Один фотоэлемент даже в полдень при ясной погоде выдает совсем немного электроэнергии, достаточной разве что для работы светодиодного фонарика.

Чтобы повысить выходную мощность, несколько ФЭП объединяют по параллельной схеме для увеличения постоянного напряжения и по последовательной для повышения силы тока.

Эффективность солнечных панелей зависит от:

• температуры воздуха и самой батареи;
• правильности подбора сопротивления нагрузки;
• угла падения солнечных лучей;
• наличия/отсутствия антибликового покрытия;
• мощности светового потока.

Чем ниже температура на улице, тем эффективней работают фотоэлементы и гелиобатарея в целом. Здесь все просто. А вот с расчетом нагрузки ситуация сложнее. Ее следует подбирать исходя из выдаваемого панелью тока. Но его величина меняется в зависимости от погодных факторов.

Гелиопанели выпускаются с расчетом на выходное напряжение, кратное 12 В – если на аккумулятор надо подать 24 В, то две панели к нему придется подсоединить параллельно

Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться контроллером управления, который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.

Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею – прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.

Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени.

Для московского региона – это приблизительно 40–45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.

И еще один момент – пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую “грязную” преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно.

Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред.

Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.

Солнце батарею из фотоэлементов в идеале должно освещать равномерно. Если один из ее участков оказывается затемненным, то неосвещенные ФЭП превращаются в паразитную нагрузку. Они не только в подобной ситуации не генерируют энергию, но еще и забирают ее у работающих элементов.

Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.

Схема электропитания дома от солнца

Система солнечного электроснабжения включает:

1. Гелиопанели.
2. Контроллер.
3. Аккумуляторы.
4. Инвертор (трансформатор).

Контроллер в этой схеме защищает как солнечные батареи, так и АКБ. С одной стороны он препятствует протеканию обратных токов по ночам и в пасмурную погоду, а с другой – защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.

Аккумуляторные батареи для гелиопанелей следует подбирать одинаковые по возрасту и емкости, иначе зарядка/разрядка будут происходить неравномерно, что приведет к резкому снижению срока их службы

Инвертор нужен для трансформации постоянного тока на 12, 24 либо 48 Вольта в переменный 220-вольтовый. Автомобильные аккумуляторы применять в такой схеме не рекомендуется из-за их неспособности выдерживать частые перезарядки. Лучше всего потратиться и приобрести специальные гелиевые AGM либо заливные OPzS АКБ.

Полезное видео по теме

Принципы работы и схемы подключения солнечных батарей не слишком сложны для понимания. А с собранными нами ниже видеоматериалами разобраться во всех тонкостях функционирования и установки гелиопанелей будет еще проще.

Доступно и понятно, как работает фотоэлектрическая солнечная батарея, во всех подробностях:

Как устроены солнечные батареи:

Сборка солнечной панели из фотоэлементов своими руками:

Каждый элемент в системе солнечного электроснабжения коттеджа должен быть подобран грамотно. Неизбежные потери мощности происходят на аккумуляторах, трансформаторах и контроллере. И их обязательно надо сократить до минимума, иначе и так достаточно низкая эффективность гелиопанелей окажется сведена вообще к нулю.

sovet-ingenera.com

Из чего сделаны солнечные батареи: их разновидности, принцип работы

С того момента, когда в далеком 1839 году французский ученый Александр Беккерель случайно наткнулся на непонятное явление, связанное с воздействием света на некоторые материалы, произошло много событий. И наткнувшись на старую публикацию в физическом журнале, немецкий физик Генрих Герц уже не случайно проводит опыты, облучая ультрафиолетовым светом цинковые разрядники резонатора.

Его исследования привели к открытию того, что сейчас называется «внешний фотоэффект». Далее эстафету принял русский ученый Александр Столетов, который, исследуя это явление, сделал несколько важнейших открытий и вывел первый закон фотоэффекта. В начале ХХ века Альберт Эйнштейн, взяв за основу гипотезу Макса Планка, дал принципиальное объяснение фотоэффекта.

С тех пор многие выдающиеся ученые занимались изучением фотоэффекта, надеясь найти этому явлению практическое применение. И решение было найдено. Вначале итальянец Джакомо Луджи Чамичан создает прототип, а уже в 1954 году американская компания Bell Laboratories объявила о том, что ее специалистами создана первая в мире солнечная батарея, вырабатывающая электрический ток под воздействием солнечного света. Это и был фотоэффект в действии.

Так что же это такое, из чего сделаны солнечные батареи, как они работают.

Как правило, когда говорят «солнечная батарея», подразумевают, что это один или несколько фотопреобразователей, которые, будучи облучены солнечным светом, преобразовывают его в электричество. Главный элемент преобразования солнечного излучения в электричество – это, конечно же, материал, который, будучи освещенным, преобразовывает поток света в электроэнергию. Материал этот – полупроводник.

В электротехнике, электронике используются, как правило, два полупроводника – германий (Ge) и кремний (Si). В фотовольтаике в большинстве своем используется кремний как наиболее распространенный и дешевый. Германий – редкий элемент, дорогой, поэтому он используется в исключительных случаях.

Структура солнечной батареи

Для изготовления солнечных фотопреобразователей используются два вида кремния – монокристаллический и поликристаллический. Как уже явствует из характеристик, монокристаллические фотопреобразователи изготавливаются из кристаллов кремния, выращенных искусственно.

Эти кристаллы затем по специальной технологии нарезаются на тонкие пластины, из которых изготавливаются сами фотопреобразователи. Нарезанные пластины тщательнейшим образом проверяются на точность нарезки, толщину самой пластины, отсутствие физических дефектов.

Этот контроль необходим для последующей сборки самого солнечного модуля, так как малейшее отклонение параметров хотя бы одного элемента влечет за собой значительные потери мощности всего солнечного модуля. Пластины монокристаллического кремния окрашены в равномерный темно-серый цвет – это естественный цвет кристаллов кремния.

Кремниевые фотоэлементыПоликристаллический (слева), монокристаллический (справа)

В отличие от монокристаллов, поликристаллические фотопреобразователи изготавливаются методом литья. Такие фотопреобразователи более просты и доступны. Если солнечные элементы из монокристаллического кремния представляют собой восьмиугольники строго выдержанного размера (допуск ± несколько микрометров), то поликристаллические элементы – как правило, прямоугольной формы с голубовато-синим отливом. К кремнию для получения особых свойств добавляют определенное количество мышьяка (As) и бора (B).

Преобразование света в электричество

Это и есть практическое применение фотоэффекта – прямое преобразование энергии света в энергию электрическую. Собственно, реакция материала на облучение светом зависит от кристаллической структуры полупроводника. Структурно каждый фотоэлемент состоит из двух слоев. Один слой в кристаллической решетке имеет переизбыток электронов и называется областью электронов.

Второй слой, соответственно испытывает недостаток электронов и называется дырочной областью (в электронике места, в которых должны быть электроны, но они там отсутствуют, называются дырками). Граница между этими слоями называется электронно-дырочный p-n переход. В зависимости от типа полупроводника свойства перехода могут быть другими. Тогда он называется дырочно-электронный n-p переход.

Принцип работы фотоэлемента

Под воздействием света эти два слоя начинают взаимодействовать, электроны из одного слоя начинают замещать дырки в другом слое. При этом возникает электродвижущая сила, превращая, по сути, эти два слоя в электроды обычной батарейки.

Теперь, чтобы использовать эту электрическую энергию, остается только подпаять к поверхности каждого слоя тонкие проводники и подключить нагрузку. Следует отметить, что этот процесс не вызывает никаких химических реакций в полупроводнике, а, следовательно, солнечная батарея, набранная из таких фотопреобразователей, может служить очень долго.

Во многих странах, в исследовательских центрах проводятся работы, которые призваны решить проблему повышения эффективности солнечных батарей. Пробуются комбинации различных материалов для использования их в качестве фотоэлементов. В тонкослойные кремниевые элементы добавляют в различных пропорциях галлий, мышьяк, медь, кадмий. Причем эти присадки могут быть как в чистом виде, так и в комбинациях материалов, например, арсенид галлия (GaAs).

Кроме того, на эффективность солнечных батарей большое влияние оказывает если не совпадение, то максимальная схожесть как физических (размеры), так и электрических (вольт-амперные характеристики) элементов, входящих в один солнечный модуль. В процессе эксплуатации солнечных батарей может возникнуть ситуация, при которой один или несколько фотопреобразователей могут быть затенены.

Таким образом, они на какой-то промежуток времени исключаются из рабочей конфигурации модуля. Но, будучи включенными в общую цепь, они могут разогреваться и, как следствие, выйти из строя. Отвод тепла от фотопреобразователей, постоянно облучаемых солнцем, также является достаточно серьезной проблемой, над решением которой работают многие ученые.

Разновидности солнечных батарей

Существуют несколько наиболее широко распространенных типов солнечных батарей. В первую очередь это, конечно же, солнечные панели, собранные на базе кремниевых фотопреобразователей. Наиболее высокая эффективность у модулей, изготовленных на базе монокристаллического кремния.

Монокристаллический модуль

Коэффициент полезного действия таких модулей по последним данным в некоторых случаях может достигать 23%. В среднем же достигается значение эффективности, равное 18%. Более дешевые панели собраны на базе поликристаллического кремния.

Эффективность таких фотопреобразователей ниже и средний показатель ее не превышает 16%. Однако за счет того, что поликристаллические элементы имеют прямоугольную форму, они более полно заполняют корпус модуля. Поэтому значения мощностей, вырабатываемых модулями на базе монокристаллического и поликристаллического кремния, будут отличаться друг от друга на весьма незначительную величину.

Поликристаллический модуль

Наиболее дешевые гелиевые батареи выполнены на базе аморфного кремния. Эти модули имеют наименьшую эффективность – порядка 8%, но и стоимость производимого электричества у этих устройств также самая низкая.

Модуль на базе аморфного кремния

Следует также отметить гелиевые панели на базе теллурида кадмия (CdTe), выполненные по тонкопленочной технологии. Пленка толщиной в несколько сотен микрометров из этого полупроводника наносится на панель. Производство этих панелей является наименее вредоносным по сравнению с производством панелей других видов. Эффективность этих батарей достигает 12%.

Модуль на базе теллурида кадмия

В последнее время получают распространение гелиевые модули на основе полупроводникового соединения, в состав которого входят индий, галлий, медь и селен (CIGS). Эти модули, как и модули из теллурида кадмия, изготавливаются по тонкопленочной технологии. Их эффективность достигает 15%.

Модуль на базе CIGS

Разумеется, потребителю вовсе не обязательно знать, как устроена и работает его домашняя солнечная электростанция. Ведь никого не интересует, как устроен, скажем, телевизор. Мы просто смотрим передачи. Но, покупая телевизор, мы уже знаем его характеристики, знаем фирму, которая его выпускает, слышали отзывы о нем.

А вот, чтобы выбрать себе оборудование для домашней электростанции, нужно иметь хотя бы приблизительное представление о том, что именно вы собираетесь приобрести и как это будет работать. И нет сомнений в том, что элементарные знания об устройстве тех или иных элементов помогут вам сделать правильный выбор.

solarb.ru

Технология перовскит кремниевых солнечных батарей

Существующие фотогальванические технологии обеспечили рынок кремниевых солнечных элементов на 90% загрузки. Что касается стоимости, надёжности работы и эффективности – эти качества вне конкуренции. Однако после десятка лет активных исследований и вложенных инвестиций, кремниевые солнечные элементы достигли предела теоретической эффективности. В результате актуальными становятся новые концепции – перовскит кремниевые солнечные батареи, необходимые для достижения долгосрочного снижения цен на солнечную энергетику. Нельзя сбрасывать со счетов и материальное обеспечение, способствующее широкому распространению фотоэлектрических технологий.

Решение научного толка

Одним из возможных решений специалисты видят размещение двух разных типов солнечных элементов друг над другом. По мнению учёных, так удастся оптимизировать преобразование световых лучей в электрическую энергию.

Ячейки с двойным соединением широко исследуются в научном сообществе, но производство таких конструкций является дорогостоящим.

В настоящее время исследовательские группы Лаборатории фото-гальваники EPFL и PV-центра CSEM — разрабатывают экономически конкурентоспособное решение.

Специалисты интегрировали перовскит ячейку непосредственно поверх стандартной кремниевой ячейки и таким способом смогли достичь рекордной эффективности — 25,2%.

Этот метод производства видится многообещающим, поскольку добавляет лишь несколько шагов к текущему процессу производства кремниевых ячеек. К тому же стоимость ограничивается разумными цифрами.

Уникальные свойства перовскита (титанат кальция) последние несколько лет активно привлекают научные круги к широкому исследованию в плане применения к солнечным батареям.

Перовскит позволяет достичь высокой эффективности конверсии при потенциально ограниченной себестоимости продукции. В тандемных конструкциях солнечных батарей перовскит удачно дополняет кремний.

Вещество более эффективно преобразует синий и зеленый спектр света, а кремний хорошо подходит для преобразования красного и инфракрасного световых диапазонов.

Объединив оба материала, можно максимально использовать солнечный спектр и увеличить количество генерируемой энергии.

Результаты экспериментов и расчётов

Расчеты и проведённые экспериментальные работы показывают 30-процентную эффективность, которая может быть достигнута в современных конструкциях тандемных солнечных панелей.

Однако создание эффективной тандемной структуры путем наложения двух материалов — непростая задача. На этот счёт участники проекта заявляют следующее:

Поверхность кремния состоит из серии пирамид размером около 5 микрон. Эти пирамиды задерживают свет и препятствуют его отражению. Однако поверхностная текстура затрудняет осаждение однородной пленки перовскита.

Когда перовскит осаждается в жидкой форме, минерал обычно накапливается в промежутках оснований пирамид, оставляя открытыми пики. Такое построение попросту приводит к короткому замыканию.

До сих пор стандартным подходом создания перовскит кремниевой тандемной ячейки было выравнивание пирамид, что уменьшало оптические свойства. Следовательно, снижалась производительность системы в целом.

Доработка существующих технологий

Новый тип тандемных ячеек является высокоэффективным и напрямую совместимым с монокристаллическими кремниевыми технологиями.

Специалисты предлагают использовать оборудование, которое уже используется, попросту добавив несколько конкретных этапов.

Производителям не придётся внедрять новую технологию изготовления солнечных батарей. Достаточно обновить производственные линии, уже задействованные для производства кремниевых ячеек.

Сейчас продолжаются исследования с целью повышения эффективности, надёжности, долговечности перовскит плёнки. Несмотря на то, что учёным удалось сделать существенный прорыв, ещё предстоит проделать массу работы, прежде чем технология станет доступной на коммерческой основе.

На основе материалов: EPFL

zetsila.ru

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.

fb.ru

Виды и особенности солнечных батарей для дома

Такие источники электрического тока, как солнечные панели, позволяют избавиться от зависимости от общих электрических сетей и пользоваться бесплатной электрической энергией со стабильным напряжением в 220 вольт. Многие решают установить солнечные батареи.

Виды

1. Кремниевые.
2. Пленочные.

Каждый из них имеет несколько разновидностей.

Кремниевые солнечные панели для дома могут быть:

1. Монокристаллическими.
2. Поликристаллическими.
3. Аморфными (они являются гибкими, и поэтому их также можно относить к пленочным).

Пленочные панели для дома бывают:

1. Полимерными.
2. Батареями на основе теллурий кадмия.
3. Радиаторами на основе селенида меди-индия.

Все эти виды различаются материалом, который используют для изготовления светочувствительных пластин. Каждый из них рассчитан для использования в бытовой сфере. Они могут вырабатывать ток с напряжением 12, 24 и 48 Вольт. Мощность бывает  разной и зависит от размеров батареи. Малые панели имеют мощность, равную 10 ватт, более крупные, предназначенные для монтажа на крышу дома, обладают мощностью, равной 100, 150, 200, 220, 300 и более ватт.

Чтобы выбрать панель, нужно определить, какие устройства она должна питать и сколько кВт она должна создавать.

Монокристаллические батареи

Они представляют собой самые эффективные солнечные батареи. Так как на планете есть очень большие запасы кремния, цена его не очень большая.

Цену на монокристаллические панели, которые способны создавать ток с напряжением 12 вольт и имеют мощность в 200 или 220 Вт, большая. Причина этого – сложная производственная технология.

Монокристаллическая солнечная батарея с мощностью 10, 100, 150 или 200 ватт представляет собой набор ячеек, которые соединены между собой. Каждая ячейка состоит из очень чистого кремния. Для получения такого материала производители используют метод Чохральского.

Особенностью этого кремния является то, что все зерна его кристаллов параллельны, а кристаллы направлены в одну сторону. Благодаря этому вырезанные из кремния пластины способны продемонстрировать КПД, равный 17-22%. С такой эффективностью не работает ни одна солнечная панель.

Каждая пластина на батарее мощностью 10, 150, 200 или 100 ватт является очень тонкой. Толщина достигает 250-300 мкм. Цвет пластин из чистого кремния является черным.

Производство таких фоточувствительных элементов включает этапы:

1. Получение чистого кремния. После этого материал имеет жидкую форму.
2. Застывание материала.
3. Разрезание на тонкие пластины.
4. Пронизывание пластин сеткой, которая состоит из электродов. Эта сетка собирает и передает ток напряжением 12 и более вольт.

Поликристаллические батареи

Светочувствительные пластины этих панелей состоят из того же кремния. Однако его структуру образуют поликристаллы, которые направлены в разные стороны. В середине каждого кристалла зерна расположены не параллельно. В некоторых местах формируются области, которые имеют зернистые границы. Это приводит к тому, что производительность панели, которая выдает 150 Вт или 0,15 квт, падает. КПД панели составляет 12-18%.

Разная направленность поликристаллов дает возможность улавливать свет с разных направлений, включая и тот, который отражается от различных поверхностей. Поэтому в пасмурную погоду такие панели не сильно теряют КПД. Для сравнения, под спрятанным в тучах небом производительность монокристаллических панелей, генерирующих ток с напряжением 12 вольт, существенно падает.

Неоднородная структура кремния, применяемого в поликристаллических батареях мощностью 100, 200 ватт или 0,25 квт, обусловлена более простым методом производства.

Его особенностями являются:

1. Нагрев исходного кремния до температуры 800-1000 °С (для монокристаллических панелей кремний нагревают до 1400 °С).
2. Медленное охлаждение кремниевого расплава.

Благодаря таким нюансам энергозатраты на производство уменьшаются, и поликристаллические пластины становятся дешевле. В итоге батареи с мощностью 150, 200 Вт стоят меньше.

Поликристаллические панели, которые могут генерировать ток напряжением в 12 или 24 вольт, всегда имеют темно-синий цвет.

Батареи на основе аморфного кремния

Производители изготавливают их не из самого кристаллического кремния, а из кремневодорода или силана. Этот материал не имеет такой производительности, как пластины вышеназванных видов. Его КПД не больше 5-6%.

Процесс изготовления предусматривает нанесение тонкого слоя материала на гибкую подложку. Благодаря этому он получает такие преимущества, как:

1. Отличную гибкость. Сгибание не приводят к повреждению материала и падению его производительности.
2. Очень малую толщину. Она не является большей 1 мкм.
3. Высокий уровень оптического поглощения. Поли- и монокристаллические панели по этому показателю хуже в 20 раз.
4. Относительно малое падение производительности в пасмурную погоду.

Эти три вида являются основными представителями кремниевых солнечных панелей. Кроме них компании научились создавать гибридные солнечные батареи. Они также могут генерировать ток напряжением 12 или 24 вольт.

Один из таких вариантов изготавливают из двухфазного материала, состав которого представлен аморфным кремнием и микро- или нанокристаллами. Доля последних является очень малой. Этого достаточно, чтобы получить такой же КПД, который имеют поликристаллические солнечные батареи мощностью 150 Вт или 0,15 квт.

Пленочные батареи на основе телурия кадмия

Теллур кадмий в качестве основного материала для светочувствительных пластин начали рассматривать еще в 70-х годах. Ученые относили его к числу лучших вариантов для создания панелей, предназначенных для питания космических аппаратов.

Сегодня не все хотят покупать солнечные батареи из этого материала, ведь кадмий – это кумулятивный яд, и поэтому есть мнение, что он может быть опасным. Согласно проведенным исследованиям доля попадающего в атмосферу кадмия очень малая. По этой причине он не способен нанести вред.

Особенности такой панели, которая может иметь мощность в 150 ватт или 0,15 квт:

1. КПД равняется 11%.
2. 1 квт мощности дешевле на 20-30%, чем 1 квт мощности кремниевых солнечных батарей.

Панель из селенида меди-индия

Производители для создания фоточувствительной пластины используют:

1. Селенид.
2. Медь.
3. Индий.

Некоторые из компаний заменяют небольшое количество элементов индия галлием. Причиной такого подхода является частая применяемость его в производстве плоских мониторов. Галлий имеет похожие свойства. Однако КПД панели с таким элементом становится меньше.

Солнечная батарея на основе селенида меди-индия способна превратить 15-20% падающего на нее солнечного излучения в электрическую энергию. По КПД этот вид мало чем отстает от монокристаллической кремниевой батареи с мощностью 100, 150 или 200 Вт.

Полимерные солнечные панели

При создании таких панелей используют возможности органических полупроводников. Солнечная батарея на 50 Вт и большей мощностью (например, 0,1 квт) способна показать КПД, равный 5-6%.

Для производства этих источников тока используют различные органические полупроводники:

• полифенилен;
• углеродные фуллерены;
• фталоциан меди и аналогов.

Благодаря этим материалам солнечная пленка имеет толщину, равную 100 нм.

Главные преимущества такой панели:

1. Малая себестоимость.
2. Легкость и доступность.
3. Невозможность нанести вред окружающей среде.
4. Хорошая механическая эластичность.

 

poluchi-teplo.ru

Перовскитные солнечные батареи на замену кремнию

Использование энергии солнца, чрезвычайно мощного потенциала Вселенной, рассматривается учёными главной целью обеспечения Земли устойчивым энергоснабжением. Световая энергия преобразуется непосредственно в электричество при помощи уже изобретённых устройств — солнечных батарей. Сейчас (2018 год) большая часть солнечных панелей изготовлена на основе кремния. Элемент 14 группы – кремний, эффективно поглощает свет. Но производство кремниевых панелей обходится крайне дорого.

Перовскитная структура панелей

Учёные мира уже достаточно длительное время работают над альтернативой кремнию – изготовлением структуры панелей солнечных батарей из перовскита. Редкий минерал – титанат кальция (CaTiO3) – он же перовскит, содержит:

• кальций,
• титан,
• кислород.

Все элементы распределяются в определенной молекулярной структуре. Материалы с подобной кристаллической структурой называются перовскитными структурами.

Выступая в качестве светособирающего активного слоя фотовольтаической панели, перовскитные структуры (perovskite solar cells) работают идеально. Эффективно поглощают свет солнца, но при этом обходятся производителям дешевле кремния.

Перовскитные фотовольтаические панели интегрируются в систему батарей достаточно легко и требуют относительно простого оборудования.

Так, перовскиты в фотовольтаике попросту растворяют растворителем и распыляют непосредственно на подложку.

Материалы, изготовленные из перовскитных структур, выглядят потенциально революционными устройствами солнечных элементов. Однако есть и серьезный недостаток: при нагревании отмечается нестабильность функционирования.

Технология производства совершенного перовскита

Не так давно перовскит стал целью исследований группы учёных OIST, возглавляемой профессором Ябином Ци (Yabing Qi). Представители Университета Окинавы разработали устройства, где используется совершенно новый материал перовскита.

Структура отличается стабильностью, эффективным действием и относительно дешевым производством. Похоже, японским специалистам удалось создать инновационный элемент фотоволтаических батарей завтрашнего дня. Разработка подробно опубликована на страницах журнала «Усовершенствованные энергетические материалы».

Созданный прототип имеет три ключевых особенности:

1. Новинка полностью неорганична – это важный момент, поскольку органические компоненты, как правило, показывают слабую термостабильность и деградируют под действием тепла. Поскольку солнечные элементы сильно греются на солнце, высокая стабильность тепла имеет решающее значение. Заменяя органические части неорганическими материалами, исследователи сделали перовскитные элементы более стабильными.
2. Полностью неорганические перовскитные фотовольтаические панели обладают более низким поглощением света, чем органическо-неорганические гибриды. В этом заключается вторая особенность. Исследователи OIST допировали созданные ячейки марганцем, чтобы улучшить производительность. Марганец изменяет кристаллическую структуру материала, повышает способность собирать свет.
3. Электроды конструкции панели, предназначенные переносить ток от ячеек на внешние проводники, сделаны из углерода. Обычно электроды делают золотыми. Углеродные электроды значительно дешевле. Их легче производить – по сути, просто напечатать непосредственно на солнечных элементах.

Между тем, учёным предстоит ещё решить ряд проблем, прежде чем перовскитные панели солнечных батарей приобретут коммерческую привлекательность, подобно кремниевым аналогам.

Проблема долговечности перовскита

Долговечность перовскитовых элементов ограничивается 1-2 годами, тогда как практика применения кремниевых аналогов показывает длительность работы до 20 лет.

Учёные продолжают работать над эффективностью и долговечностью новых ячеек. Попутно разрабатывается процесс изготовления в коммерческих масштабах.

Учитывая, насколько скоро эта технология развилась с момента появления перовскитного солнечного элемента (2009 год), будущее новых ячеек панелей солнечных батарей выглядит многообещающим.

На основе материалов: OIST

zetsila.ru

---

• 
  Как подключить электрическую плиту к розетке
• 
  Арт объекты своими руками
• 
  Как установить инсталляцию для унитаза
• 
  Холодная обратка в системе отопления
• 
  Как покрасить межкомнатную дверь своими руками
• 
  Фрезер универсальный
• 
  Розетки не работают а свет есть
• 
  Пластиковый профлист
• 
  Магниевый лист
• 
  С чего начать ландшафтный дизайн
• 
  Печь капельная