Принцип работы солнечной батареи: как устроена и работает солнечная панель

Как рассчитать количество солнечных батарей

Прежде всего необходимо рассчитать, сколько электроэнергии потребляет Ваша семья за день. Приблизительное количество можно понять из показателей в квитанциях на оплату электричества, которые приходили Вам ранее. Просто разделите этот показатель на количество дней в месяце. Если это совсем новый дом и раньше Вам не приходили квитанции, то придется подсчитать потребляемую мощность всех электроприборов за сутки. К этой цифре прибавьте еще 20%, которые пойдут на работу самих аккумуляторов батареи. Полученные данные помогут определить, сколько панелей и какой мощности Вам нужны

При расчетах стоит брать во внимание и уровень инсоляции в Вашем регионе

Оптимизация полученных значений

Если идет речь о создании на 100% автономной системы, здесь солнечное электричество вырабатывается довольно дорого. В этом случае, исходя из данных, занесенных в спецификацию, лучше оставить в перечне только приборы с энергосберегающими характеристиками — если это лампы, то светодиодные или люминесцентные, если холодильник, то класса А, а еще лучше А++ .

Приборы, которые не относятся к разряду самых необходимых, выгодней питать от генератора. Когда гелиостанция — резервный вариант, то при временном отсутствии централизованной подачи электропитания, также лучше не использовать энергоемкую технику до момента, пока ситуация не нормализуется.

Солнечная электростанция будет работать стабильно в безаварийном режиме, если нагрузки выровнять по максимуму, исключить возможность резких временных провалов электропотребления. Опираясь на эти критерии, можно выбрать для своей солнечной установки экономичные варианты составляющих ее модулей. Полнее раскрыть всю картину поможет график.

На нем четко можно проследить неравномерность потребления электроэнергии и сделать так, чтобы пиковые нагрузки приходились на период, когда солнце наиболее активно.

На данном графике вы сможете отследить как неравномерно энергопотребление: нам нужно – сдвинуть максимумы на время наибольшей активности солнца и снизить потребление электроэнергии в сутки, особенно ночью.

Оптимизировать нерациональный график энергопотребления можно на базе спецификации, снизив как суточное потребление, так и среднесуточную почасовую нагрузку. Возможно, нет смысла покупать более мощные и дорогие солнечные модули, а разумней смириться с небольшими временными неудобствами.  

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.

Разновидности

По способу функционирования солнечные системы делятся на два типа:

Автономные. Работают там, где нет возможности подключиться к центральной электросети. Минус проявляется в периоды длительного отсутствия солнца (например, зимой), когда есть риск остаться без электроэнергии. Нуждаются в подстраховке дизельным/бензиновым генератором.

Комбинированные. Система работает автономно, на генерации от солнца, но при необходимости переключается на дублирующий источник (электросеть или тот же дизель). Источники связаны в сеть с помощью приборов, переключение происходит в автоматическом режиме.

Технологии производства и устройства солнечной батареи отличаются, главным образом, методом нанесения кремния. Большинство систем используют модули следующих типов:

• Поликристаллического типа. Бюджетный вариант солнечных батарей, подходит в качестве источника энергии для загородного дома. Существует версия мобильной модели, которую можно взять в путешествие или поход. Недостаток технологии – сравнительно низкая (до 18 %) эффективность.
• Монокристаллический кремний. Панели более надежны в эксплуатации. У них выше срок эксплуатации (до 40-50 лет), стабильнее работа: они сохраняют до 70-80 % мощности на протяжении работы. Панели из монокристаллических элементов демонстрируют эффективность до 22 % (в серии); те, что используются в космической отрасли – до 38 %.

Также возможна установка следующих устройств:

• Мультикристаллический кремний. Модули из мультикристаллического кремния просты в изготовлении, поэтому обладают более доступной стоимостью. КПД доходит до 15 %, служба рассчитана на 25 лет.
• Тонкопленочные батареи. Могут функционировать при рассеянном свете (без прямого солнечного света), что является плюсом в туманном климате или в запыленном воздухе. Это дает дополнительно 10-15 % мощности в год (если сравнивать с традиционными кристаллическими системами).
• Солнечные панели из аморфного кремния. КПД невысокий (6-8 %), зато вырабатываемая электроэнергия – одна из самых дешевых.
• Модели на основе CIGS (полупроводниковые). В состав полупроводника входит медь в смеси с индием, галлием и селеном. В основе изготовления батареи лежит пленочная технология, эффективность достигает 15 %.
• Батареи с использованием теллуида кадмия (CdTe). Изготавливаются по пленочной технологии, отличаются сверхтонким полупроводниковым слоем. КПД не превышает 11 %, зато генерируемая энергия обходится на 20-30 % дешевле, чем у кремниевых моделей.

Солнечная батарея в ясный день

Итак, в нашей статье мы будем ставить опыты с солнечной панелью на 100 Вт  и посмотрим, целесообразно ли ее было покупать. Так как я живу в Удмуртии, это получается 57 градусов северной широты. Лето теплое солнечное, зима умеренно-холодная.

Приятный солнечный денек 10 июня. На небе ни тучки, солнце в зените.

Направляю панель на солнышко и смотрю напряжение на клеммах в холостом режиме.

23,1 Вольта халявы)

А теперь смотрим ток короткого замыкания. Для этого ставим мультиметр в режим измерения силы тока и соединяем выводы солнечной панели.

Все прям почти как по описанию).

Берем галогенную автомобильную лампу и цепляем к панели

Горит так, что даже глаза слепит.

Давайте замеряем напряжение на клеммах панели с нагрузкой-лампочкой.

Смотрим силу тока, которую кушает наша автомобильная лампочка:

Давайте посчитаем, какую мощность кушает лампочка от панельки. Вспоминаем, что мощность — это произведение силы тока на напряжение. То есть получаем P=IU=5,45 x 16,2 = 88,3 Ватта. Как видите, панелька в легкую питает нагрузку, которая кушает 88,3 Ватта при напряжении в 16,2 Вольта. Честно говоря, более чем 14,4 Вольт подавать на лампочку не стоило бы, так как она автомобильная. Но вроде осталась жива.

Как выбрать место для монтажа солнечных батарей

Вы, наверняка, видели дома с блестящими панелями на крыше. Казалось бы, что место очевидно, но все же в его выборе есть свои правила. Для максимальной продуктивности батареи устанавливаются в наиболее освещенном месте во всем дворе. И это не обязательно крыша. Для этого подойдет земельный участок, на который помещаются специальные опоры. Если это Ваш вариант, позаботьтесь, чтобы на панели не падала тень от соседних зданий, деревьев и больших предметов. Интересно, что поликристаллические модели еще могут справляться с затемнением, а вот монокристаллические практически приостанавливают свою работу, если на них падает тень. Возможно, пока за Вашим забором нет соседей, но в будущем они обязательно появятся. Этот момент нужно обязательно предусмотреть.

Если все же Вам по душе размещение солнечных панелей на крыше или стенах дома, нужно выдерживать определенное расстояние между ними. Ряды не должны затенять друг друга, если их достаточно много. Расстояние между рядами должно быть не менее 1,7 высоты ряда.

В контексте монтажа источников альтернативной энергии стоит затронуть такой показатель, как инсоляция. Она обозначает, сколько солнечной радиации выпадает в Вашем регионе. Чем выше этот показатель, тем больше энергии смогут выработать модули. Если Вы живете на севере, то возможно, понадобится больше панелей для достижения той же выходной мощности, нежели на юге страны. Ниже мы наводим карту инсоляции Украины, чтобы Вы могли понимать, насколько рационально устанавливать батареи в Вашем регионе.

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.

Портативная солнечная батарея – специально для туристов

У каждого в наше время есть электронные гаджеты. Не суть, что у кого-то их меньше, а кого-то больше. Все их необходимо заряжать, а для этого нужны зарядные устройства. Но, особенно остро этот вопрос касается тех, кто попадает в места, где отсутствует электропитание. Единственным выходов являются солнечные батареи. Но, цены на них остаются высокими, а выбор — небольшим. Оптимальным вариантом, как принято считать, является продукция компании Goal Zero (хотя есть и российская продукция, и китайская – как всегда вызывающая сомнении).

Но, оказалось, что не все то плохо, что сделано в Китае или Корее. Особенно порадовала солнечная батарея компания YOLK из Чикаго, которая начала производство компактной солнечной батареи Solar Paper – самой тонкой и легкой. Ее вес всего 120 граммов. Но есть и другие преимущества – модульная конструкция, позволяющая наращивать мощность. Солнечная батарея похожа на пластиковую коробку, по размерам напоминающую Ipad, только тоньше в два раза. На ее лицевой стороне размещена солнечная панель. Есть на корпусе выход для ноутбука и порты USB и для подключения других солнечных панелей, а также фонарик. Внутри этой чудо коробки – аккумуляторы и плата управления. Зарядить девайс можно от розетки, причем, одновременно это могут быть телефон и два ноутбука. Конечно, заряжается устройство и от солнца. Как только на него попадает свет, загорается индикатор. В походных условиях солнечная панель просто незаменима: с успехом заряжает все нужные устройства – телефоны быстрее, ноутбуки.

https://youtube.com/watch?v=EdR_ZGsnLLQ

Портативные солнечные батареи отличаются компактными размерами: они выпускаются даже в виде брелков, прикрепить которые можно к чему угодно. Разрабатывались они для того, чтобы можно было их взять на рыбалку, в поход и пр. Обязательно у них имеется фонарик, чтобы ночью можно было осветить дорогу, палатку и т.д., крепления, позволяющие легко их разместить на рюкзаках, байдарках, палатках

Очень важно, чтобы в таком устройстве был встроенный аккумулятор, позволяющий заряжать девайсы и в ночное время

Какие типы солнечных коллекторов существуют

Такие системы бывают двух видов: плоские и вакуумные. Но, по своей сути, их принцип работы схож. Они используют солнечное тепло для нагрева воды. Отличаются только устройством. Давайте рассмотрим принципы работы этих видов гелиосистем подробнее.

Плоские

Это самый простой и самый дешевый вид коллектора. Работает он следующим образом: В металлическом корпусе, который изнутри обработан высокоэффективным перьевым абсорбером для поглощения тепла, расположены медные трубки. По ним циркулирует теплоноситель (вода или антифриз), который поглощает тепло. Далее, этот теплоноситель проходит через теплообменник в накопительном баке, где передаю тепло уже непосредственно той воде, которую мы можем использовать, например для отопления дома.

Верхняя часть системы закрыты высокопрочным стеклом. Все остальные стороны корпуса утеплены изоляцией для уменьшения теплопотерь.

Достоинства	Недостатки
Низкая стоимость панелей	Низкой КПД, примерно на 20% ниже вакуумных
Несложная конструкция	Большой количество теплопотерь через корпус

Из за своей простоты в изготовлении такими системы часто делают даже своими руками. Приобрести необходимые материалы можно строительных магазинах.

Вакуумные

Эти системы работают немного по другому, это обусловлено их конструкцией. Панель состоит из двойных трубок. Наружная трубка играет защитную роль. Они изготовлена из высокопрочного стекла. Внутренняя труба имеет меньший диаметр и покрыта абсорбером, который аккумулирует солнечное тепло.

Далее это тепло передается тепло съемниками или стержням, изготовленным из меди (они бывают нескольких видов и имеют разный КПД, рассмотрим их чуть позже). Тепло съемники передают тепло с помощью теплоносителя, в аккумулирующий бак.

Между трубками вакуум, что сводит к нулю тепло потери и повышает эффективность системы.

Достоинства	Недостатки
Высокая эффективность	Более высокая цена относительно плоских
Минимум тепло потерь	Невозможность ремонта самих трубок
Легкость в ремонте, трубки можно менять по одной единице
Большой выбор видов

Виды тепло съемных элементов (абсорберов), из всего 5

• Перьевой абсорбер с прямоточным тепловым каналом.
• Перьевой абсорбер с тепловой трубкой “heat pipe”.
• U-образный прямоточный вакуумный коллектор с коаксиальной колбой и отражателем.
• Система с коаксиальной колбой и тепловой трубкой “heat pipe”.
• Пятая система это плоские коллекторы.

Давайте рассмотрим эффективность работы разных абсорберов, а также сравним их с плоскими коллекторами. Расчеты даны на 1 м2 панели.

В этой формуле используются следующие значения:

• η- коэффициент полезного действия коллектора, который мы рассчитываем;
• η₀- оптический коэффициент полезного действия;
• k₁ -коэффициент тепловых потерь Вт/(м²·К);
• k₂ -коэффициент тепловых потерь Вт/(м²·К²);
• ∆Т- разница температур между коллектором и воздухом К;
• Е – суммарная  интенсивность солнечного излучения.

По этой формуле, используя данные, приведенные выше, вы можете сами провести расчеты.

Если не вникать в переменные, говоря проще, КПД зависит от количества тепла, которое поглощают медные теплосъемники и количества потерь системой.

Системы с проточными нагревателями или термосифонные

По своему строению они могут быть как плоские так и вакуумные. Используют такие же принципы работы. Однако они имеют одно значительное отличие в техническом устройстве.

Эта система может работать без дополнительного резервного аккумулирующего бака и насосной группы.

Принцип работы следующий. Нагретый теплоноситель аккумулируется в базовом баке, который расположен в верхней части системы, как правило на 300 литров. Через него проходит змеевик, по которому циркулирует вода от давления самой водопроводной системы дома. Она прогревается и поступает потребителю.

Достоинства	Недостатки
Низкая стоимость за счет отсутствия части оборудования.	Низкий КПД системы в зимний сезон и ночное время
Простота монтажа, требуется минимум усилий, так как система укомплектована всем необходимым

Виды солнечных модулей-панелей

Гелиопанели-модули собираются из солнечных элементов, иначе – фотоэлектрических преобразователей. Массовое применение нашли ФЭП двух видов.

Они отличаются используемыми для их изготовления разновидностями полупроводника из кремния, это:

• Поликристаллические. Это солнечные элементы, изготовленные из кремниевого расплава путем длительного охлаждения. Несложный метод производства обуславливает доступность цены, но производительность поликристаллического варианта не превышает 12%.
• Монокристаллические. Это элементы, полученные в результате нарезки на тонкие пластины искусственно выращенного кремниевого кристалла. Самый продуктивный и дорогой вариант. Средний КПД в районе 17 %, можно найти монокристаллические фотоэлементы с более высокой производительностью.

Поликристаллические солнечные элементы плоской квадратной формы с неоднородной поверхностью. Монокристаллические разновидности выглядят как тонкие однородной поверхностной структуры квадраты со срезанными углами (псевдоквадраты).

Так выглядят ФЭП – фотоэлектрические преобразователи: характеристики солнечного модуля не зависят от разновидности применяемых элементов – это влияет лишь на размеры и цену

Панели первого исполнения при одинаковой мощности больше размером, чем вторые из-за меньшей эффективности (18% против 22%). Но процентов, в среднем, на десять дешевле и пользуются преимущественным спросом.

О правилах и нюансах выбора солнечных батарей для снабжения энергией автономного отопления вы сможете прочитать здесь.

Основные параметры солнечной батареи

Максимальная мощность (Maximum power)

Этот параметр солнечной панели показывает, какую максимальную мощность может выдать такая панель в солнечный день, при условии, что солнце будет в зените и панель будет полностью освещаться солнечными лучами.

Максимальное напряжение при нагрузке (Maximum power voltage)

Максимальное значение напряжение при условии, что панель выдает в нагрузку максимальную мощность. То есть этот параметр также учитывает, что панель должна быть под солнцем в зените в яркий солнечный день.

Максимальный ток, который может выдать солнечная панель в нагрузку (Maximum Power Current)

Этот параметр показывает, какой максимальную силу тока может выдать панель в нагрузку.

Напряжение в холостом режиме (Open Circuit Voltage)

Это напряжение на клеммах солнечной панели в яркий солнечный день, при условии, что к клеммах не подсоединяется никакая нагрузка.

Ток короткого замыкания ( Short Circuit Current)

Это сила тока, которая будет течь в цепи солнечной панели, если ее клеммы соединить между собой, при условии, что панель находится под солнцем.

Ну а далее различные массо-габаритные характеристики. Также в сопроводительном листе были указаны такие параметры, как КПД солнечного модуля = 15,2%, закаленное матовое стекло толщиной в 3,2 мм, а также рабочий диапазон температур от -40 и до +80 градусов по Цельсию. По заявлению производителя, такая панель выдерживает град размером в горох и срок ее службы составляет 15-20 лет. Ну что же, поживем увидим.

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.