Солнечные батареи, что это такое и какая от них польза.

 

Введение

Электрические тарифы растут и растут. И когда рост закончится – неизвестно. Вероятнее всего – никогда. Как и во всём мире, нужно искать альтернативные источники электроэнергии. А какой источник самый бесперебойный и особенно в южных широтах – солнце. Солнце, которое согревает всё вокруг, в том числе и солнечные батареи. Рассмотрим поближе эту технологию, позволяющую, питать электричеством домашний холодильник или ночью освещать дорожку в саду и много что еще. Начнём с важных определений и краткого исторического обзора.

Солнечная батарея или солнечная фотоэлектрическая панель – это объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов), то есть, полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток. В состав солнечной электростанции входит одна или более солнечная панель, инвертор, в некоторых случаях аккумулятор и солнечный трекер.
Чаще всего, солнечные батареи покрывают прозрачным стеклом, которое выполняет две важные функции. Во-первых, оно служит защитой от влаги и фотонов, которые обладают слишком высокой энергией. Если не использовать стекло, фотоны могут проходить через батарею и нагревать ее, а не передавать свою энергию электронам, что снизит эффективность работы батареи.




Солнечные батареи имеют долгую историю. В 1839 году, Александр Эдмон Беккерель, открыл эффект преобразования света в электричество. Чарльз Фриттс (Charles Fritts) начал использовать селен для превращения света в электричество. Первые прототипы солнечных батарей были созданы итальянским фото-химиком, Джакомо Луиджи Чамичаном. В 1954 году компания «Bell Laboratories», заявила о создании первых солнечных батарей на основе кремния, для получения электрического тока. Эффективность солнечной батареи составила 6 %. 17 марта 1958 года в США, был запущен спутник с использованием солнечных батарей — «Авангард-1». 15 мая 1958 года в СССР, также был запущен спутник с использованием солнечных батарей — «Спутник-3»

К началу страницы

Солнечные батареи и в наше время находятся в стадии активной разработки.
Так что же происходит внутри солнечных батарей. Когда солнечный свет попадает на солнечный элемент, он генерирует электрический заряд, благодаря фотоэлектрическому эффекту. Величина заряда зависит от множества факторов: материала батареи (силикон, тонкая пленка и т. д.), Площади батареи (большая площадь батареи означает, что большее количество отдельных батарей, может быть преобразовано в большее напряжение или ток) и качества источника света. Самый эффективный и привлекательный источник света – это солнце, которое легко доступно и бесплатно. Разработана цепочка солнечных батарей, различающихся технологическими особенностями в них заложенными. Ниже, кратко разберём классификацию солнечных батарей.

Классификация солнечных батарей

Существует несколько типов солнечных батарей:
1. Монокристаллические. Самый высокий КПД, до 22%. Габаритные размеры меньше, чем у других типов батарей той же мощности. Длительный срок службы – более 25 лет. Высокая цена и чувствительность к загрязнению поверхности. В процессе старения теряют до 20% своей мощности.
2. Поликристаллические. Имеют КПД до 18%. Менее устойчивы к воздействию высоких температур, снижается КПД.  Размеры больше, чем у монокристаллической той же мощности. Небольшой процент брака. Цена в среднем ниже на 10%, чем на монокристаллические. В процессе старения теряют до 20% своей мощности.

Монокристаллические и Поликристаллические солнечные батареи
Монокристаллические и Поликристаллические солнечные батареи

3. Тонкопленочные или аморфные и прозрачные. Это солнечные батареи нового поколения High Power. Инновационные технологии, из аморфного кремния, очень высокое качество, эстетичный вид, Меньшие размеры по сравнению с поликристаллическими и монокристаллическими. Отсутствуют кремниевые ячейки и плёнки.
Солнечные батареи High Power, отлично генерируют электроэнергию в плохую или пасмурную погоду, при недостаточной освещенности, при рассеянном свете или в жарком климате. Поэтому, для регионов со слабой солнечной активностью, с небольшим количеством солнечных дней в году, теневых и северных сторон рекомендуются использовать солнечные батареи на основе халькопирита. Они имеют КПД почти 17%. Эффективность модулей увеличена на 50%, поэтому с одного квадратного метра батарея собирает более 150 Вт, то есть, относительно небольшая мощность – max 160 Вт. Из-за отсутствия деградации в течение 25 лет работы, вообще не изменяются характеристики, в отличие от кремниевых модулей. Из-за низкой мощности необходимо устанавливать большее количество батарей, что увеличивает затраты на установку
4. Прозрачная солнечная батарея. Состоит из тонкой пленки аморфного кремния и микро прозрачной кремниевой пленки, которые наносятся на стеклянное основание. Прозрачные солнечные батареи используются в промышленном и гражданском строительстве зданий, для остекления фасадов зданий, в производстве окон, ограждений, парковок, рекламных щитов, навесов и многих других архитектурных проектах. Изготавливаются разного цвета и разной процент прозрачности. Цена на этот тип батарей самая низкая, так как затраты на их производство постоянно падают. Невысокий КПД.

Тонкопленочные и кристаллические кремниевые, солнечные батареи

Посмотрим, чем же различаются  тонкопленочные и кристаллические кремниевые, солнечные панели.
Тонкопленочные солнечные элементы дешевле, чем традиционные, кристаллические солнечные панели, но эффективность ниже, так как коэффициент преобразования тонкопленочных элементов составляет от 20% до 30%.
В зависимости от используемых материалов, различают четыре их категории: аморфный кремний; тонкопленочный кремний; теллурид кадмия; медь индий галлий селен и сенсибилизированные красителем солнечные элементы плюс другие природные материалы
Структура тонкопленочных солнечных элементов и солнечных элементов на кристалле кремния не сильно различается. Она – шестислойная. Прозрачное покрытие покрыто антиотражающим слоем, под ним находится P-N переход, а затем, контактная пластина и подложка.

P-Nпереход создается в отдельном кристалле полупроводника, путем покрытия одной стороны кристалла атомами акцепторной примеси, создавая его как P-тип, а также, покрытия противоположной стороны атомами донорной примеси, создавая его как N-тип. Область, где сходятся P-тип и N-тип, называется P-Nпереходом. На этом переходе создаётся односторонняя проводимость.

P-N-переход
Выработка электричества на P-N-переходе

 

К началу страницы

Кремний или тонкая пленка.

Технология кристаллического кремния существует более полувека и доказала свою ценность. Технология же тонких пленок все еще находится в стадии активного развития, так как у нее есть потенциал для снижения затрат, при той же эффективности и надежности.

Преимущества и недостатки кристаллического кремния

Преимуществами кристаллического кремния: высокая эффективность преобразования, достигающая 12–24,2%; высокая стабильность; относительная простота изготовления; высокая надежность; время работы. Панели из монокристаллического кремния могут выдерживать суровые условия окружающей среды и  использоваться для космических полетов. К  преимуществам так же относятся термостойкость и низкие затраты на установку. А с учетом времени утилизации / переработки, кремний более экологичен.
Недостатком является то, что по начальной стоимости кристаллический кремний – самый дорогой солнечный модуль. К тому же коэффициент поглощения солнечной энергии очень низкий, а материал хрупкий.

Тонкопленочные солнечные элементы

Тонкопленочные солнечные элементы дешевле, чем  солнечные элементы из кристаллического кремния, могут быть изготовлены на тонких кремниевых пластинах, более гибкие и простые в обращении. И по сравнению с кристаллическим кремнием, тонкопленочные элементы более устойчивы к внешним воздействиям (ударам). Основным недостатком тонкопленочных модулей солнечных элементов, является низкая эффективность. Структура также более сложная, а гибкие тонкопленочные батареи требуют специальных навыков установки, поэтому, по крайней мере, они не могут использоваться в авиакосмической отрасли в настоящее время.

К началу страницы

Использование солнечных батарей. Солнечные электростанции.

Солнечные батареи используются для следующих целей:
1. Портативная электроника. Зарядные устройства для обеспечения электричеством и/или подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники — калькуляторов, плееров, фонариков и другого осветительного оборудования.
2. Электромобили. Для подзарядки электромобилей.
3. Электровелосипеды. Для подзарядки батареи и даже для питания электромотора в режиме реального времени.
4. Энергообеспечение зданий.

Солнечные электростанции

Солнечная батарея (панель) — объединенная цепь фотоэлементов, преобразующая энергию солнца в постоянный электрический ток. Объединенные между собой панели представляют собой полноценную солнечную электростанцию. Относительно лёгкая масштабируемость солнечных батарей, помогает создавать как небольшие СЭС для дома и дачи, а так же довольно крупные станции, выработка электроэнергии на которых превышает сотни мегаватт. Кроме стоимости солнечных батарей в комплект солнечной электростанции (СЭС) входят инвертор, коннекторы, солнечные кабеля, крепления для солнечных панелей.
Солнечные панели (батареи) преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Для преобразования постоянного тока от солнечных батарей, в привычные большинству из нас 220 вольт, (переменный ток) необходимо использовать солнечные инверторы. Например – гибридные инверторы для дома или дачи, с возможностью сохранения излишков электроэнергии в аккумуляторах, для использования накопленной энергии в вечернее или ночное время, а так же если необходимо трёхфазное напряжение в 380 вольт для крупных предприятий или заводов, целесообразней устанавливать сетевые солнечные инверторы.
Наиболее рационально размещение солнечных батарей, на крыше дома.

Солнечной батареи в доме

Солнечный свет, попадая на кремниевые пластины, высвобождает электроны, которые начинают двигаться по проводникам в дом. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный, для питания стандартных бытовых приборов. Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток. Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения.

Работа солнечной батареи в доме
Работа солнечной батареи в доме

Получаемая от солнечной батареи электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора. При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда. Это процесс контролируется специальным контроллером. То есть, аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность, к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность. Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное, (используемое для питания большинства электроприемников вместе с солнечной батарей), можно использовать специальные устройства – инверторы. Без использования инвертора от солнечной батареи, можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, светодиодные лампы.

Светильники на солнечных батареях

Солнечная энергия в течение всего дня преобразуется в электрическую энергию, на панели солнечной батареи (в верхней части светильника), и накапливается во встроенном аккумуляторе. Вечером светильник автоматически включается и выключается с восходом солнца. Светильников разработано много. Посмотрим, какие бывают светильники, где используются и где какой применять.
А начнём с классификации светильников по освещению. С этой точки зрения, светильники бывают: общего, промышленного, бытового, декоративного, местного, направленного, рассеянного, прямого,  отраженного освещения.
По способу установки светильники бывают: потолочные, настенные, встраиваемые, подвесные, напольные, настольные, переносные.
По типу используемых источников света (ламп) светильники бывают: с лампами накаливания, со светодиодными лампами, с люминесцентными лампами, с мощными лампами, с бактерицидными лампами.
Светильники общего назначения служат для общего или комбинированного освещения общественных и жилых помещений, где установлена согласно требованиям определенная температура.
Промышленные светильники применяются для использования на предприятиях, складах, ангарах, строительных объектах, для освещения паркингов, автозаправок. Так же, промышленные светильники устанавливаются в общественных местах : торговых центрах, вокзалах, аэропортах и т.д.
Бытовые светильники устанавливаются в жилых помещениях и  в офисных и рабочих кабинетах.
Декоративные светильники используются при оформлении интерьеров: жилых помещений, ресторанов, клубов, выставочных залов, салонов, гостиниц.
Светильники местного освещения применяются в помещениях, где нужно заменить общий свет.
Так как светильники рассеянного света считаются самыми комфортными для глаз человека, они устанавливаются в жилых помещениях.
Светильники направленного света используются в помещениях, где нужно создать рабочую атмосферу и быть в бодром настроении, в течение долгого времени
В зависимости, как нужно распределить освещение в помещении, применяют светильники отражённого или направленного света.

Классификация светильников
Каких только не бывает светильников

К началу страницы

А что, кроме солнечных батарей?

Помимо солнечных батарей, энергия солнца используется в солнечных коллекторах.
Солнечный коллектор – это устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя. Солнечные коллекторы применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления помещений.
Повышение эксплуатационных температур до 120—250 °C, возможно путём введения в солнечные коллекторы концентраторов, с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами, а так же, наличие устройств слежения за солнцем.

Вакуумный солнечный коллектор
Вакуумный солнечный коллектор

 

Источники

Солнечная батарея 




К началу страницы