Солнечные батареи

СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ ДЛЯ ДОМА. КАК ВЫБРАТЬ ОБОРУДОВАНИЕ?

     

Вопрос выбора солнечных батарей для частного дома довольно непростой. Чтобы определить, какое оборудование Вам необходимо, ответить себе на несколько вопросов:

1. Тип панелей

Фото панелей трёх типов

Есть ли ограничение по площади?

Если да – лучше выбрать солнечные панели из монокристаллического кремния. Этот тип панелей обладает наиболее высоким КПД. Такие батареи могут занимать меньше места при одной и той же мощности, что и поликремниевые панели. Солнечную батарею из монокристаллического кремния легко узнать — она состоит из псевдоквадратов черного цвета. Если ограничения по площади нет, берите солнечные батареи из поликристаллического кремния – они дешевле и немного лучше работают в пасмурную работу благодаря тому, что солнечные элементы имеют разную ориентацию кристаллов кремния. Внешний вид солнечной батареи из поликристаллического кремния — ровные квадраты синеватого цвета с разными оттенками. Если же у Вас особые условия для размещения (например, изогнутая крыша или крыша из поликарбоната), то можно обратить внимание на гибкие солнечные панели из аморфного кремния. Они клеятся на любую поверхность и не требуют дополнительных металлоконструкций. К тому же, эти батареи очень хорошо работают с рассеянным светом. Поэтому, если солнечные дни в Вашем регионе — редкость, можно присмотреться именно к этим панелям. Еще одним вариантом можно считать солнечные батареи из микроморфного кремния. Это новое поколение аморфных солнечных батарей, работающих как в видимой, так и в инфракрасной части спектра.

Практика показала, что такие панели дают большую суммарную годовую выработку по сравнению с классическими. Кроме того, такие панели менее требовательны к углу наклона и ориентации по сторонам света. А еще они дешевле, потому что в производстве используется меньше кремния.

Сравним стоимость солнечных батарей для дома и дачи. Мы приводим цены в долларах, поскольку даже российские панели производятся из импортного сырья.

  • Самые дешевые — панели из аморфного или микроморфного кремния. Их цена 0,7-0,9 доллара за Вт.
  • На втором месте расположились поликристаллические солнечные панели с ценой 0.9 — 1 доллара за Вт.
  • Ну и самыми дорогими являются модули из монокристаллического кремния. Их цена 1,1 — 1,3 долларов за 1 Вт мощности.

2. Мощность панелей.

Чтобы определиться с мощностью солнечных панелей, нужно определить среднее потребление энергии в Вашем доме (например, по счетам за электроэнергию), а потом решить, какой процент от этого количества Вы хотите компенсировать при помощи альтернативных источников энергии. Допустим, в месяц Вы потребляете 300 кВт*ч электроэнергии. Это примерно 10 кВт*ч в день и 3600 кВт*ч. Для Крыма можно считать, что солнечные батареи, мощностью 1 кВт вырабатывают в среднем 1300 кВт*ч в год. (около 110 кВт*ч в месяц).

Если делается расчет для лета, считается, что панель отдает свою номинальную мощность 6 часов в день (солнечная батарея на 250 Вт выработает 250-6 = 1500 Вт*ч в сутки, при условии, что стоит солнечная погода). Тогда, для полной компенсации Вам необходимо установить 3 кВт панелей (12 панелей по 250 Вт, 1,65 м.кв. каждая). Если установить сразу 12 панелей нет возможности, можно поставить половину, а потом добавить. Оборудование при этом менять не нужно!

3. Тип инвертора

Есть ли сеть 220 В?

Если нет и не будет, тогда выбирайте автономный инвертор. В такой системе солнечные панели будут заряжать аккумуляторы, и одновременно энергия будет расходоваться на различных нагрузках. Рекомендуется также запастись генератором, который сможет зарядить АКБ, если выдастся особо пасмурная неделя и солнечной энергии будет недостаточно. Если сеть есть, то возникает следующий вопрос: нужно ли резервирование электроснабжения, или Вы хотите просто экономить? Если стоит цель просто экономить – достаточно поставить сетевой инвертор. Для него не нужны аккумуляторы. Энергия, вырабатываемая солнечными батареями, преобразуется в 220 В и сразу расходуется потребителями в доме. Несколько интереснее система, которая еще и запасает энергию. В ней используется гибридный инвертор. Основная его особенность – совместная работа сети и солнечных батарей. При этом можно выбрать один из двух приоритетов для основного источника энергии. Если выбрать сеть – тогда инвертор будет брать не более разрешенной мощности от сети, а если не будет хватать – добирать необходимое количество энергии от альтернативных источников энергии и аккумуляторов. Если же поставить приоритет солнечных батарей – тогда инвертор будет брать максимум энергии от них, а если не будет хватать, добирать немного из сети.

4. Мощность инвертора.

Мощность сетевого инвертора подбирается равной или немного большей, чем мощность массива панелей. Для гибридного и автономного расчет немного сложнее. Чтобы узнать, какой мощности инвертор нужен в Вашей системе, нужно посчитать суммарную мощность электроприборов, которые могут быть одновременно включены в Вашем доме. Допустим, у Вас дома есть такие электроприборы:

  • 10 лампочек (экономок) по 20 Вт = 200 Вт,
  • Холодильник класса А+, 300 Вт,
  • Насос, 500 Вт,
  • LCD телевизор 32″, 70 Вт,
  • Зарядное устройство мобильного телефона, 5 Вт,
  • Ноутбук, 60 Вт,
  • Пылесос, 1500 Вт,
  • Микроволновка, 2000 Вт,
  • Электрочайник, 1800 Вт,
  • Кондиционер, 1500 Вт.

В сумме получим 7935 Вт. Дополнительно нужно взять запас минимум в 20% и получим 9500 Вт. В линейке инверторов МАП Энергия ближайшая модель – 12 кВт Однако если не включать одновременно пылесос, микроволновку и электрочайник, то максимальная суммарная мощность будет уже 4600 Вт + 20% = 5500 Вт – можно брать инвертор вдвое меньшей мощности – 6 кВт.

5. Тип контроллера заряда

Тут нам на выбор всего 2 типа: ШИМ и МРРТ. Разница между ними в том, что МРРТ контроллер снимает с солнечных панелей до 20% больше мощности по сравнению с ШИМ контроллером. При этом его стоимость в 2-3 раза выше. Чтобы помочь себе сделать выбор, сделайте простой расчет. Если Вы поставили себе на дом солнечные батареи мощностью 1 кВт, то МРРТ контроллер может снять с них все 1000 Вт, в то время как ШИМ «освоит» всего 800 Вт. Чтобы он догнал по мощности МРРТ контроллер, нужно добавить еще одну панель на 200-250 Вт. Разумеется, разрыв между контроллерами в 20% держится не 100% времени. Однако, солнечные батареи эксплуатируются не один год, и разница в 20% за 20 лет может набежать довольно большая. Что Вам выгоднее – добавить батарей или доплатить за более совершенный контроллер – решать Вам. Из опыта могу сказать, что при мощности панелей более 1 кВт уже выгоднее ставить МРРТ контроллер.

6. Мощность контроллера заряда Мощность контроллера заряда нужно выбирать по его паспортным данным (там указано, какую мощность он может прокачать через себя в АКБ). Эта мощность должна быть больше мощности массива батареи, установленных у Вас дома (на даче). Также желательно (для ШИМ контроллеров), чтобы класс напряжения батареи соответствовал напряжению на аккумуляторах. Тогда будет меньше потерь на преобразовании напряжения внутри контроллера. Для МРРТ контроллеров такого ограничения нет. У них наоборот, лучше набрать большое напряжение. Тогда даже в самую пасмурную погоду контроллер сможет сохранить работоспособность и снимать мощность с батареи.

7. Тип аккумуляторов Среди всех типов аккумуляторов для систем на солнечных батареях самыми доступными являются свинцово-кислотные. Из них можно выбрать между герметизированными (AGM, GEL) и обслуживаемыми (тяговые, OPzV). Первые есть смысл ставить, когда планируется использование АКБ в буферном режиме (редкие глубокие разряды в моменты отключения питания, неглубокие разряды в процессе работы (добавление мощности)). Еще одним их преимуществом является их герметичность – можно устанавливать в любом помещении, нет особых требований к вентиляции. Обслуживаемые АКБ надо устанавливать в помещении, где есть вентилляция, поскольку в процессе работы из таких аккумуляторов может выделяться водород. Однако, такие АКБ имеют очень большой ресурс — от 1500 циклов 100% разряда. Поэтому их целесообразно ставить в таких системах, где планируется постоянная циклическая работа от АКБ (автономные системы без сети 220В). Можно еще ставить автомобильные стартерные АКБ, но они плохо переносят разряд небольшими токами и имеют большой саморазряд. Поэтому срок их службы в системах на солнечных батареях очень невелик.

8. Емкость аккумуляторов Про емкость можно сказать: чем больше, тем лучше. Однако, рассчитать минимально необходимое количество АКБ можно. Для этого нужно определить сколько и каких электроприборов должны проработать в случае отключения электроэнергии и умножить это количество энергии на желаемое время автономной работы. Например, лампы (3 по 20 Вт*ч), ТВ (70 Вт*ч), ноутбук (60 Вт*ч), холодильник А+ (40 Вт*ч в час) должны проработать 6 часов. Суммарное потребление в час составит: 60+70+60+40 = 230 Вт. На 6 часов нужно будет 230*6 = 1380 Вт*ч (В*А*ч) Тогда ескость АКБ будет 1380 В*А*ч / 12 В = 115 А*ч. Чтобы не допустить 100% разряда и увеличить срок жизни АКБ, лучше вдвое увеличить емкость и взять АКБ на 200 А*ч. Такой аккумулятор сможет запасти в себе 2400 Вт*ч «солнечной» энергии.

Также Вы можете позвонить нам и задать любой вопрос нашим инженерам. Мы работаем с понедельника по пятницу с 9 до 18 часов без перерыва.

Эту статью про солнечные батареи для дома написал Егор Моисеев

Аккумуляторы для солнечных батарей

Аккумуляторов сейчас очень много на любой вкус и цвет, но не все аккумуляторы подходят для солнечных батарей. Самые узнаваемые и известные это автомобильные стартерные аккумуляторы. Многие именно с них начинают когда приобретают солнечные батареи, или ставят дома резервный ИБП для питания котлов и другой домашней техники. Но про автомобильные АКБ я уже неоднократно писал и скажу что они «одноразовые», и лишь в щедящем режиме могут прослужить до 3-х лет, а так обычно их и на год не хватает, особенно когда полная автономная электростанция где АКБ работают в циклическом режиме и часто глубоко разряжаются. Моя практика это подтвердила, а так-же сообщения на форумах от других людей это тоже подтверждают.

Эти АКБ конечно самые дешевые, но самые не подходящие для солнечной электростанции, и перспектива менять АКБ каждый год не особо радует, так-как все-таки хоть они и самые дешевые, но тоже стоят денег. Средняя стоимость АКБ на 190-240Ач стоит 8-16т.руб.

  Самые лучшие и подходящие для автономных систем, ИБП, солнечных батарей, ветрогенераторов — это литий-железо-фосфатные АКБ (lifepo4). Во первых у lifepo4 высокий КПД, самый высокий из всех типов АКБ и составляет он 95-98%. Только за счет КПД заряда-разряда энергии получается больше в сравнении с другими равной емкости. Ну и самое главное что lifepo4 не требует никакого обслуживания, его не надо многостадийно заряжать, и он не портится от недо-заряда и глубоких разрядов.

Его можно заряжать большими токами за короткое время, и можно оставлять разряженным сколько угодно времени. Сам по себе аккумулятор не портится и обещают средний срок службы 15 лет и 3000 циклов при разрядах на 80%, а при разрядах на 50% 5000 циклов, а если разряжать меньше, то циклов обещают до 10000. И в общем отзывы пока эти цифры подтверждают. Хотя эти АКБ относительно новые для нас и у людей в основном такие АКБ успели отработать по 2-7 лет, но про потерю емкости вроде никто не писал. Но и цены на эти АКБ довольно высокие, сборка (4 ячейки) АКБ 12в 240Ач стоит на момент написания статьи 56000 рублей.

К примеру на фото АКБ lifepo4 от Лиотех 240Ач

  Есть так-же специализированные свинцово-кислотные аккумуляторы, которые хорошо подходят для солнечных батарей. Это к примеру тяговые АКБ, которые устанавливаются в электро-погрузчиках. Так-же такие АКБ используют в системах резервного электроснабжения. Например в ИБП для аварийного питания домашней электроники и котлов отопления. Так-же применяют бесперебойных системах электро-обеспечения средств связи, сигнализации, освещения.

Такие аккумуляторы служат гораздо дольше и устойчивы к глубоким разрядам. В ИБП они могут прослужить до 10-12 лет, так-как там мало циклов и они работают только когда случаются сбои в электросети. А в составе солнечных и ветряных электростанций такие АКБ конечно прослужат меньше, но все-же их не придется менять гораздо реже. К примеру аккумуляторы фирмы MNB серия ММ которых специально разработана для тяжелых условий эксплуатации и хорошо подходит для работы с солнечными батареями. Про них я уже писал Аккумуляторы для солнечных батарей

Производитель обещает до 1200 циклов что в принципе довольно прилично для работы в циклическом режиме, когда в темное время суток разряд, а днем зарядка ат солнечных батарей. Цена за аккумулятор фирмы MNB емкостью 250Ач примерно 30000 рублей, это грубо говоря в два раза дороже чем стартерные АКБ, но прослужит такой аккумулятор как минимум в три раза дольше.

Фото аккумулятора MNB емкостью 250Ач

  Такие аккумуляторы как правило полностью герметичные и необслуживаемые, что позволяет размещать их дома, что большой плюс в отличие от автомобильных АКБ.

Так-же есть еще Никель-кадмиевые аккумуляторы, которые тоже хорошо подходят для солнечных электростанций. Особенно чистые АКБ без железа. Есть как обслуживаемые АКБ, так и необслуживаемые. У таких АКБ есть свои особенности по заряду и разряду и если не соблюдать рекомендации, то аккумулятор прослужит гораздо меньше чем обещают, и КПД заряда-разряда будет заметно ниже. Тоесть скажем закачав в АКБ пару киловатт, обратно он может отдать всего 1,4 киловатт, в основном это если заряжать и разряжать большими токами. А так в общем эти АКБ довольно выносливы и их емкость можно восстановить тренировочными циклами.

По стоимости Никель-кадмиевые АКБ для автономных систем и солнечных батарей самые дорогие — наверно из-за небольшого спроса. Хотел написать стоимость, но на на момент написания статьи так и не нашел сайтов с открытыми ценами. Но ранее находил цены на сборку Ni-cd 250Ач в районе 70000 рублей. Вообще по-мониторив цены на разные щелочные аккумуляторы, они оказывается сильно подорожали, как будто их за доллары в США покупают, хотя производят их наши заводы.

фото KL250 ni-cd аккумулятор

  В общем аккумуляторы это такой самый дорогой и расходный материал в составе солнечных электростанций, а без них в отсутствии электросети не обойтись. Понятно что денег всегда мало, но выкидывать их на дешевые АКБ просто не выгодно. Я считаю что лучшие аккумуляторы по цене и качеству это лифер (lifepo4). Покупая лифер можно рассчитывать на использование 80% емкости, и при этом АКБ проработает 10-15 лет (3000 циклов+). А к примеру автомобильный АКБ и полгода не протянет при таком циклировании.

Из свинцово-кислотных более подходящие это специализированные АКБ для резервных, бесперебойных и автономных систем.

Но здесь есть свои нюансы. Как правило такие АКБ тоже быстро теряют емкость при глубоком циклировании, и только лучшие АКБ могут отдать до 1200 циклов при разрядах на 80-70%, а в основном 300-700 циклов. Обещанные циклы такие АКБ отрабатывают при разряде на 20-30%, по этому их надо в три раза больше чем lifepo4. Ну и цена свинцово-кислотных АКБ будет в два раза выше чем lifepo4.

В будущем возможно появятся новые типы аккумуляторов или что-то улучшится, но пока ситуация примерно вот такая…

Устройство солнечной батареи. Виды солнечных панелей

Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs). Ниже будут даны краткие описания каждой из них.

Солнечные батареи основе кремния

Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний. В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями. Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе. Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами Si.

Различают два основных типа кремниевых СБ – на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического. В первом случае используется высококачественный (и, соответственно, более дорогой) кремний выращенный по методу Чохральского, который является стандартным методом для получения кремниевых пластин-заготовок для производства микропроцессоров и микросхем. Эффективность СБ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%. Не так давно, фирма Panasonic заявила о начале промышленного выпуска СБ с эффективностью 24,5% (что вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению ~30%).

Во втором случае для производства СБ используется более дешевый кремний произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле (block-cast), специально разработанного для производства СБ. Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов (типичные размеры 1-10мм) разделенных границами зерен. Подобные неидеальности кристаллической структуры (дефекты) приводят к снижению эффективности – типичные значения эффективности СБ из mc-Si составляют 14-18%. Снижение эффективности данных СБ компенсируется их меньшей ценой, так что цена за один ватт произведенной электроэнергии оказывается примерно одинаковой для солнечных панелей как на основе c-Siтак и mc-Si.

Тонкопленочные солнечные панели

Возникает вопрос – зачем разрабатывать другие типы модулей, если солнечные панели на основе моно- и мультикристаллического кремния уже созданы и показывают неплохие результаты?

Очевидный ответ — чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными c-Si и mc-Siсолнечными батареями.

Дело в том, что обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, перечисленными выше, обладают и рядом недостатков. Кемний из-за своих особых электрофизических свойств (непрямозонный полупроводник) обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн.

Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.

В то же время, прямозонные полупроводники на вроде GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2, и даже некоторые модифицированные формы Si, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон. Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника. Еще одной положительной чертой СБ на основе вышеназванных полупроводников – в отличие от СБ на основе c-Si и mc-Si– является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).

Исследования СБ на основе теллурида кадмия (CdTe) начались еще в 1970х годах ввиду их потенциального использования в качестве перспективных для космических аппаратов. А первое широкое применение «на земле» подобные СБ нашли в качестве элементов питания карманных микрокалькуляторов.

Данные элементы представляют собой гетероструктуру из тонких слоев p-CdTe / n-CdS (суммарная толщина 2-8 мкм) напыленных на стеклянную подложку (основу). Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Основным (и фактически единственным) производителем СБ на основе теллурида кадмия является американская фирма FirstSolar, которая занимает 4-5% всего рынка.

К сожалению, есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe.

Кадмий – это экологически вредный тяжелый метал, который требует особых методов обращения и ставит сложный вопросутилизации старых изделий. В виду этого, законодательство многих стран ограничивает свободную продажу гражданам СБ этого типа (строятся только масштабных солнечных электростанций под гарантии утилизации от фирмы производителя). Второй элемент – теллур, довольно редко встречается в земной коре. Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу – довольно призрачны.

Солнечные батареи на основе соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2 (иногда обозначаются как CIGS) являются новичками на рынке солнечной энергетики. Несмотря на то, что начало исследований элементов этого типа было положено еще в середине 70х, в настоящее время коммерческий выпуск в боле-менее солидных масштабах ведет всего лишь фирма SolarFrontierKKиз Японии. Отчасти это связано с технически сложным и дорогим процессом изготовления, хотя в некоторых (удачных!) случаях их эффективность может достигать 20%.

Несмотря на отсутствие экологически вредных элементов в составе этого соединения, значительному расширению производства данных солнечных модулей в будущем угрожает дефицит индия. Ведутся исследования с целью заменить дорогой In на более дешевые элементы и может быть скоро появятся новые изделия на основе соединения Cu2ZnSn(S,Se)4.

Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния a-Si:H. Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены также и на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:

— увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;

— использовать аморфный кремний (a-Si), обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний (с-Si).

По первому пути пошла австралийская фирма CSGSolarLtd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм. По второму – швейцарская OerlikonSolar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния a-Si / с-Si эффективность которых также составляет 11-13%. Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных — наоборот). Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.

Концентраторные солнечные модули

Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев:  Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP. Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника. К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.

Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат. Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 см2 и сфокусировав его на 1 см2 солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 см2 без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади!

Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе, которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы.

В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.

Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем

Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.

Трушин М.В. Ph.D

Принцип работы и устройство солнечной батареи

В профессиональных кругах панели, преобразующие солнечный свет в электроэнергию, называют фотоэлектрическими преобразователями, которые в разговорной речи или при написании понятных для широких масс статей принято называть солнечными батареями. Принцип работы этих устройств, первые рабочие экземпляры которых появились достаточно давно, на самом деле достаточно простой для понимания человеком, имеющим только знания со школьной скамьи.

Не секрет, что p-n переход может преобразовывать свет в электроэнергию. В школьных опытах нередко проводят эксперимент с транзистором со спиленной верхней крышкой, позволяющей свету падать на p-n переход. Подключив к нему вольтметр, можно зафиксировать, как при облучении светом такой транзистор выделяет мизерный электрический ток. А если увеличить площадь p-n перехода, что в таком случае произойдет? В ходе научных экспериментов прошлых лет, специалисты изготовили p-n переход с пластинами большой площади, вызвав тем самым появление на свет фотоэлектрических преобразователей, называемых солнечными батареями.

Принцип действия современных солнечных батарей сохранился, несмотря на многолетнюю историю их существования. Усовершенствованию подверглась лишь конструкция и материалы, используемые в производстве, благодаря которым производители постепенно увеличивают такой важный параметр, как коэффициент фотоэлектрического преобразования или КПД устройства. Стоит также сказать, что величина выходного тока и напряжения солнечной батареи напрямую зависит от уровня внешней освещенности, который воздействует на неё.

В структуре солнечной батареи используется p-n переход и пара электродов для снятия выходного напряжения

На картинке выше можно видеть, что верхний слой p-n перехода, который обладает избытком электронов, соединен с металлическими пластинами, выполняющими роль положительного электрода, пропускающими свет и придающими элементу дополнительную жесткость. Нижний слой в конструкции солнечной батареи имеет недостаток электронов и к нему приклеена сплошная металлическая пластина, выполняющая функцию отрицательного электрода.

Технология, по которой изготовлена солнечная батарея, влияет на её КПД

Считается, что в идеале солнечная батарея имеет близкий к 20 % КПД. Однако на практике и по данным специалистов сайта www.sun-battery.biz он примерно равен всего 10 %, при том, что для каких солнечных батарей больше, для каких то меньше. В основном это зависит от технологии, по которой выполнен p-n переход. Самыми ходовыми и имеющими наибольший процент КПД продолжают являться солнечные батареи, изготовленные на основе монокристалла или поликристалла кремния. Причем вторые из-за относительной дешевизны становятся все распространеннее. К какому типу конструкции солнечная батарея относится можно определить невооруженным глазом. Монокристаллические светопреобразователи имеют исключительно чёрно-серый цвет, а модели на основе поликристалла кремния выделяет синяя поверхность. Поликристаллические солнечные батареи, изготавливаемые методом литья, оказались более дешевыми в производстве. Однако и у поли- и монокристаллических пластин есть один недостаток — конструкции солнечных батарей на их основе не обладают гибкостью, которая в некоторых случаях не помешает.

Ситуация меняется с появлением в 1975 году солнечной батареи на основе аморфного кремния, активный элемент которых имеет толщину от 0,5 до 1 мкм, обеспечивая им гибкость. Толщина обычных кремниевых элементов достигает 300 мкм. Однако, несмотря на светопоглощаемость аморфного кремния, которая примерно в 20 раз выше, чем у обычного, эффективность солнечных батарей такого типа, а именно КПД не превышает 12 %. Для моно- и поликристаллических вариантов при всем этом он может достигать 17 % и 15 % соответственно.

Материал, из которого изготовлены пластины, влияет на характеристики солнечных батарей

Чистый кремний в производстве пластин для солнечных батарей практически не используется. Чаще всего в качестве примесей для изготовления пластины, вырабатывающей положительный заряд, используется бор, а для отрицательно заряженных пластин мышьяк. Кроме них при производстве солнечных батарей все чаще используются такие компоненты, как арсенид, галлий, медь, кадмий, теллурид, селен и другие. Благодаря ним солнечные батареи становятся менее чувствительными к перепадам окружающих температур.

Большинство солнечных батарей могут накапливать энергию, представляя собой системы

В современном мире отдельно от других устройств солнечные батареи используются все реже, чаще представляя собой так называемые системы. Учитывая, что фотоэлектрические элементы вырабатывают электрический ток только при прямом воздействии солнечных лучей или света, ночью или в пасмурный день они становятся практически бесполезными. С системами на солнечных батареях всё иначе. Они оборудованы аккумулятором, способным накапливать электрический ток днем, когда солнечная батарея его вырабатывает, а ночью, накопленный заряд может отдавать потребителям.

Солнечная система представляет собой совокупность солнечной батареи и аккумулятора

Для увеличения мощности, выходного напряжения и тока на основе солнечных батарей создаются панели, где отдельные элементы соединяются последовательно или параллельно.

Солнечная батарея (солнечная панель) – это устройство, предназначенное для преобразования энергии солнца в электрическую энергию.

Как известно, запасы нефти и газа стремительно истощаются, по приблизительным оценкам, их хватит еще на 60 лет. А до момента, когда погаснет  солнце, по приблизительным расчетам еще около 5 миллиардов лет. Не трудно догадаться, что у солнечных батарей большое будущее.

Во многих южных странах, преобладает дефицит углеводородов, но зато практически круглый год светит солнце, поэтому использование солнечных батарей в этих регионах развивается более стремительно. Хотя и в России, все чаще можно увидеть солнечную батарею у соседа на даче, или на фонаре. Это связано с небольшой стоимостью малых батарей (от 1000 руб.), и тем условием, что, на том же дачном участке не всегда проведено электричество, а батарею достаточно расположить на солнце и подсоединить к аккумулятору. А если использовать много батарей, можно не только заряжать мобильный телефон или ноутбук, но еще и смотреть телевизор, пользоваться освещением и другими не слишком мощными потребителями. Естественно, что для этого понадобятся более дорогие батареи, различные преобразователи и стабилизаторы.

Принцип работы

Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте. Лучи солнца, попадая на батарею, отдают часть своей энергии электронам, тем самым приводя их в движение. Электроны движутся, то есть получается электрический ток.

Солнечные батареи вырабатывают постоянный ток, с помощью которого они заряжают аккумуляторы.

Аккумуляторы в свою очередь, могут сразу питать какой-либо приемник, например лампочку или зарядное устройство, или подсоединяться к инвертору напряжения для преобразования в переменный ток и дальнейшего использования в электросети.

Обычно материалом, который выступает в роли фотоэлектрического преобразователя, является кристаллический кремний, но это может быть и теллурид кадмия.

Устройство солнечной батареи

На производстве солнечных батарей из кремния нарезают тонкие листы небольшой площади. Такой лист называется модулем, затем этот модуль объединяют в цепочку из 9 таких же модулей, а потом объединяют уже 4 цепочки из 9 модулей. Не сложно посчитать, что количество модулей в одной батареи – 36. Все эти модули соединены последовательно и каждый из них вырабатывает электроэнергию. При этом дорожки, которые соединяют модули, могут быть из серебра или меди.

Затем все 36 модулей закрываются стеклом и пленкой и упаковываются в рамку.

Конструкция необязательно должна состоять из 36 модулей и именно в таком порядке, такая конструкция рассматривалась как наиболее распространенная.

Одним из недостатков такой конструкции является то, что при некотором затемнении солнечной батареи, часть модулей работают как нагрузка, ведь они соединены последовательно. Чтобы избавится от такого эффекта, устанавливаются байпасы на каждый модуль, то есть если модуль оказался в тени, то он оказывается исключенным из общей цепи, дабы не создавать нагрузку.

В некоторых видах солнечных батарей используют специальный концентратор, который представляет из себя линзу, которая сфокусирована на небольшой участок батареи. Таким образом, добиваются уменьшения размеров солнечной батареи и некоторого увеличения КПД.

Эффективность солнечных батарей

Как правило, основные потери связаны с тем, что солнечные батареи используют не все диапазоны частот солнечного света. Поэтому большая часть энергии попросту не используется. Кроме того, эффективность батарей зависит от сопротивления нагрузки, поэтому иногда используют специальный контроллер для их управления. Плюс с увеличением температуры батареи, количество вырабатываемой энергии падает.

Выходная мощность одной средней батареи колеблется от 100 до 320 Вт.

КПД батарей невысок, обычно он достигает 20-30 %. Но известно, что в 2011 году, компания Sharp Solar создала солнечную батарею с КПД – 44 %.

Так что, будущее за альтернативной энергетикой, и солнечные батареи как и ветровые генераторы, являются основными направлениями развития.

Оставьте комментарий