Cолнечная батарея, как работает и производится

Как устроена солнечная батарея

Два слоя кремния с разными физическими свойствами образуют тонкую фольгу. Внутренний слой представляет собой чистый монокристаллический кремний с проводимостью p-типа, который снаружи покрыт «загрязненным» слоем кремния. Это может быть, например, примесь фосфора. Имеет проводимость n-типа. Тыльная сторона пластины покрыта слоем прочного металла.

В раме фотоэлементы закреплены таким образом, что сломанный можно заменить. Вся конструкция покрыта закаленным стеклом или пластиком, что защищает ее от негативного воздействия внешних факторов.

Принцип работы солнечной батареи

В результате перетекания заряда на границе слоев пера образуется зона нескомпенсированного положительного заряда в слое n и отрицательного заряда в слое p, т.е известная всем из курса физики школы pn-переходов. Разность потенциалов, возникающая на стыке, контактная разность потенциалов (потенциальный барьер) препятствует прохождению электронов из p-слоя, но беспрепятственно проходит неосновные носители в обратном направлении, что дает возможность получить фото-ЭДС при солнечном свете попадает в УИК.

Под воздействием солнечного света поглощенные фотоны начинают генерировать неравновесные электронно-дырочные пары. Электроны, генерируемые вблизи перехода, переходят из p-слоя в n-область.

Точно так же лишние отверстия и n слоев попадают в p-слой (рисунок a). Оказывается, положительный заряд накапливается в p-слое, а отрицательный — в n-слое, вызывая напряжение во внешней цепи (рисунок b). Источник тока имеет два полюса: положительный — слой p и отрицательный — слой n.

Это основной принцип работы солнечных элементов. Электроны, таким образом, кажутся бегущими по кругу, то есть покидают p-слой и возвращаются в n-слой, минуя нагрузку (батарею).

Фотоэлектрический отток в единичном элементе перехода обеспечивается только теми электронами, энергия которых превышает ширину определенной запрещенной зоны. Те, у кого меньше энергии, не участвуют в этом процессе. Это ограничение можно снять с многослойных структур, состоящих из нескольких СЭ, в которых ширина запрещенной зоны различна. Их называют каскадными, многопереходными или тандемными. Их фотоэлектрическое преобразование выше из-за того, что такие солнечные элементы работают с более широким солнечным спектром. В них фотоэлементы обнаруживаются по мере уменьшения ширины запрещенной зоны. Солнечные лучи сначала попадают в фотоэлемент с наибольшей площадью, и наиболее энергичные фотоны поглощаются.

Затем фотоны, передаваемые верхним слоем, падают на следующий элемент и т.д. В области каскадных элементов основным направлением исследований является использование арсенида галлия в качестве одного или нескольких компонентов. Эти элементы имеют коэффициент преобразования 35%. Элементы соединены в одну батарею, так как технические возможности не позволяют изготавливать отдельный элемент большого размера (а значит, и силового.

Солнечные элементы могут работать долгое время. Они зарекомендовали себя как стабильный и надежный источник энергии, пройдя испытания в космосе, где главную опасность для них представляют метеорная пыль и радиация, приводящие к эрозии кремниевых элементов. Но, поскольку на Земле эти факторы не оказывают на них столь негативного влияния, можно предположить, что жизнь стихий будет еще дольше.

Солнечные панели уже служат людям, питая различные устройства, от сотовых телефонов до электромобилей.

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

Солнечная тепловая электростанция в Испании (город Севилья)

Преимущество солнечных панелей заключается в том, что они вырабатывают электроэнергию напрямую, теряя гораздо меньше энергии, чем многоступенчатые солнечные коллекторы, в которых процесс ее получения связан с концентрацией солнечного света, нагревом воды, генерацией пара, который заставляет турбину вращаться. • пар и только потом тот, который вырабатывает электричество от генератора. Основные параметры солнечных панелей — это, прежде всего, мощность. Тогда важно, сколько у них энергии.

Этот параметр зависит от емкости аккумуляторов и их количества. Третий параметр — пиковая потребляемая мощность, означающая количество возможных одновременных подключений устройств. Еще один важный параметр — номинальное напряжение, от которого зависит выбор дополнительного оборудования: инвертор, солнечная панель, контроллер, аккумулятор.

Виды солнечных батарей

На первый взгляд все солнечные панели выглядят одинаково: элементы, покрытые темным стеклом с металлическими полосами, проводящими электричество, заключены в алюминиевый каркас.

Но солнечные панели классифицируются по мощности вырабатываемой ими электроэнергии, которая зависит от конструкции и площади панели (это могут быть миниатюрные пластины мощностью до десяти ватт и широкие «пластины» от двухсот до двухсот или двухсот ватт) больше ватт).

Кроме того, они различаются типом образующих их солнечных элементов: фотохимические, аморфные, органические, а также созданные на основе кремниевых полупроводников, у которых коэффициент фотоэлектрического преобразования во много раз выше. Следовательно, мощности больше (особенно в солнечную погоду). Солнечная батарея на основе арсенида галлия может составить конкуренцию последней. То есть сегодня на рынке можно найти пять типов солнечных панелей.

Они различаются материалами, использованными для их изготовления:

1. Поликристаллические фотоэлектрические панели с характерным синим цветом солнечной панели, кристаллической структурой и КПД 12-14%.

Поликристаллическая панель

2. Панели из монокристаллических элементов дороже, но и эффективнее (КПД — до 16%).

Монокристаллическая панель

3. Солнечные батареи из аморфного кремния, которые имеют самый низкий КПД — 6-8%, но генерируют самую дешевую энергию.

Панель из аморфного кремния

4. Панели из теллурида кадмия, созданные по пленочным технологиям (КПД — 11%).

Панель на основе теллурида кадмия

5. Наконец, солнечные панели на основе полупроводников CIGS, состоящих из селена, индия, меди, галлия. Технологии их производства тоже основаны на пленках, но КПД достигает пятнадцати процентов.

Солнечная панель на базе CIGS

Кроме того, солнечные панели могут быть гибкими и портативными.

Элементы для улучшения работы

Солнечный трекер — это устройство, предназначенное для отслеживания движения солнца и вращения солнечной панели, чтобы на ее поверхность попадало как можно больше солнечного света.

Гибкие солнечные батареи

Гибкие панели очень доступны по цене, легко сворачиваются в рулон, как обычная бумага. Хотя их стоимость выше, чем у их твердотельных аналогов, они заняли свою нишу на рынке. В основном они востребованы туристами и путешественниками, которым в условиях отсутствия электрификации необходимо подзарядить свои мобильные гаджеты. Ведущим производителем гибких солнечных элементов является Sun Charger, которая, кстати, недавно пополнила свой ассортимент моделями мощностью 34 Вт и 9 Вт.

T_3Fq3YnxMk

Первая модель подходит для питания планшетов, сотовых телефонов, видеокамер, цифровых фотоаппаратов, GPS, гелевых аккумуляторов на 6 и 12 вольт, то есть может удовлетворить потребности большего количества людей во время пеших прогулок.

SunCharger SC-9/14 — аккумулятор в сложенном виде

Она открыта

Особенности аккумулятора: компактная складная конструкция, работающая в диапазоне температур от -50 до +70 градусов, вес всего 420 грамм, оснащена антибликовым покрытием, встроенным светодиодом, люверсами для крепления. Выходной разъем круглый (5,5 мм / 2,1 мм.).

Электрические характеристики: рабочее выходное напряжение 13,5В (стандарт 12В), холостой ход — 19В; рабочий выходной ток — 0,65 А; в сложенном и открытом виде размеры — 20,5х15х3 см и 50х41,5х0,4 см; выходная мощность — 8,6 Вт.

Выходной разъем SunCharger SC-9/14

Вторая модель SunCharger SC-34/18 на сегодняшний день является самой мощной из линейки гибких солнечных элементов. Он был разработан специально для универсальных запоминающих устройств (ноутбуков), у которых, как правило, на входе зарядки 17-19 вольт. Максимальная мощность 18В. Подключается непосредственно к устройствам для идеального соответствия. Понятно, что для менее «прожорливых» дисков подойдут и двенадцатавольтные свинцово-кислотные аккумуляторы, используемые в автомобилях.

Солнечная панель подает 18 вольт в точке максимальной мощности и напрямую подключается к этим устройствам. Следовательно, он «идеально» согласован с ними.

Конечно, этот аккумулятор подходит и для зарядки менее прожорливых потребителей. Как известно, мощности всегда не хватает. Также он легко заряжает свинцово-кислотные аккумуляторы 12 В, в том числе автомобильные (после нескольких часов зарядки автомобиль можно заводить). Его толщина составляет 4 см (т.е он стал немного больше), но при этом аккумулятор оказался немного компактнее традиционных аккумуляторов на 12 В.

Гибкая солнечная батарея (модель SunCharger SC-34/18)

Это достигается благодаря более тонкой ткани, используемой при ее производстве, и многослойным солнечным элементам большей площади.

Такой же открытый аккумулятор

Помимо характерных особенностей предыдущей модели, помимо круглого разъема на выходе присутствуют еще «мама» и «папа».

Электрические характеристики: выходная мощность по маркировке 34 Вт; рабочий выходной ток — 1,9 А; размеры 40х18х4 см (в сложенном виде) и 40х18х4 см (в открытом виде). Выходное напряжение 18 В и 26 В (без нагрузки). Вес, конечно, намного больше: 1,7 кг.

Как полупроводники вырабатывают электричество?

Полупроводник — это материал, в котором атомы имеют лишние (n-тип) или недостаточное количество (p-тип) электронов. То есть полупроводник состоит из двух слоев с разной проводимостью.

В этой схеме n-слой используется в качестве катода. P-слой — это анод. То есть электроны из первого слоя могут переходить на второй. Переход происходит за счет удаления электронов фотонами света. Фотон уничтожает электрон. После этого, пройдя аккумулятор, они снова падают в пласт и все идет по кругу.

Когда энергия исчерпана, все начинается по кругу и всегда горит свет.

Современные солнечные батареи используют кремний в качестве полупроводника, и все началось с селена. Селен показал крайне низкую эффективность — не более одного процента — и сразу стали искать замену. Сегодня кремний в целом отвечает требованиям промышленности, но у него также есть существенный недостаток.

Как связаны коронавирусы, солнечные батареи и загрязнение воздуха?

Обработка и рафинирование кремния для приведения его в форму, в которой он может использоваться, — довольно дорогостоящая процедура. Чтобы удешевить производство, проводятся эксперименты с его альтернативами: медью, индийом, галлием и кадмием.

Редкоземельные материалы

Есть несколько типов солнечных панелей из редких металлов, и не все из них более эффективны, чем модули из монокристаллического кремния. Однако способность работать в экстремальных условиях позволяет производителям таких солнечных панелей производить конкурентоспособную продукцию и проводить дальнейшие исследования.
Панели из теллурида кадмия активно используются для облицовки зданий в экваториальных и арабских странах, где их поверхность днем ​​нагревается до 70-80 градусов. Основными сплавами, используемыми для производства фотоэлектрических элементов, являются теллурид кадмия (CdTe), селенид меди-индия-галлия (CIGS) и селенид меди-индия (CIS).
Кадмий — токсичный металл, а индий, галлий и теллур довольно редки и дороги, поэтому массовое производство солнечных панелей на их основе невозможно даже теоретически. КПД таких панелей находится на уровне 25-35%, хотя в исключительных случаях может достигать 40%.
Раньше они в основном использовались в космической отрасли, но сейчас появилось новое перспективное направление. Благодаря стабильной работе редкометалльных солнечных элементов при температуре 130-150 ° C, они используются в солнечных тепловых электростанциях. В этом случае солнечные лучи от десятков или сотен зеркал концентрируются на небольшой панели, которая одновременно вырабатывает электричество и передает тепловую энергию водяному теплообменнику.
В результате нагрева воды образуется пар, который раскручивает турбину и вырабатывает электричество. Таким образом, солнечная энергия преобразуется в электричество одновременно двумя способами с максимальной эффективностью.
Полимерные и органические аналоги.
Фотоэлектрические модули на основе органических и полимерных соединений начали разрабатываться только в последнее десятилетие, но исследователи уже добились значительного прогресса.
Наибольший прогресс демонстрирует европейская компания Heliatek, которая уже оборудовала несколько небоскребов органическими солнечными батареями. Толщина рулонной пленочной структуры HeliaFilm составляет всего 1 мм. При производстве полимерных панелей используются такие вещества, как углеродные фуллерены, фталоцианин меди, полифенилен и другие. КПД таких солнечных элементов уже достигает 14-15%, а стоимость производства в несколько раз ниже, чем у кристаллических солнечных панелей.
Остро стоит проблема времени разрушения органического рабочего слоя. Пока невозможно достоверно подтвердить уровень его эффективности после нескольких лет эксплуатации. Преимуществами органических солнечных батарей являются: возможность экологической утилизации; невысокая стоимость изготовления; гибкий дизайн.
К недостаткам таких фотоэлементов можно отнести относительно невысокий КПД и отсутствие достоверной информации о стабильных периодах работы панелей. Не исключено, что через 5-10 лет все недостатки органических солнечных элементов исчезнут и станут серьезными конкурентами кремниевых пластин.

Система солнечной электростанции

На изображении ниже показана типичная солнечная установка. Он состоит из следующих элементов:

• солнечная панель (одна или несколько объединенных в одну систему) — собирает энергию и преобразует ее в электричество;
• контроллер — необходим для оптимизации работы солнечных панелей и снижения потерь при транспортировке энергии через электрическую систему станции;
• инвертор — преобразование постоянного тока в переменный;
• аккумулятор — собирает и хранит накопленную электроэнергию.

Система солнечной электростанции

Аккумулятор позволяет использовать накопленную в течение дня электроэнергию. Контроллер также защищает аккумулятор от перезарядки. Следовательно, когда достигается максимальный уровень заряда батареи, контроллер автоматически понижает напряжение до уровня, необходимого для сохранения заряда, без перезарядки батареи чрезмерным напряжением. А инвертор нужен, чтобы приборы и осветительная сеть могли использовать электроэнергию, получаемую от батарей.

Важно: некоторые жильцы или владелец частного дома устанавливают сверху дополнительное стекло для защиты аккумуляторов, но даже такая прослойка стекла может снизить КПД панелей на 30%

Сфера применения солнечной энергии

Есть три применения солнечной энергии:

• Энергосбережение. Солнечные батареи позволяют отказаться от централизованного питания или снизить его потребление, а также продать лишнюю электроэнергию электроснабжающей компании.
• Электроснабжение объектов, подключение к которым ЛЭП невозможно или экономически невыгодно. Это может быть дача или охотничий домик, расположенный вдали от ЛЭП. Такие устройства также используются для питания светильников на удаленных участках сада или на автобусных остановках.
• Блоки питания для мобильных и портативных устройств. Во время походов, рыбалки и других подобных мероприятий нужно заряжать телефоны, фотоаппараты и другие гаджеты. Для этого также используются солнечные батареи.

Солнечные панели удобно использовать там, где нет электричества

Портативная солнечная батарея – специально для туристов

В наши дни у всех есть электронные устройства. Дело не в том, что у кого-то меньше, а у кого-то больше. Все они нуждаются в подзарядке и для этого нужны зарядные устройства. Но особенно остро эта проблема стоит для тех, кто находится в местах, где нет питания. Единственный аргумент в пользу продажи — солнечные батареи. Но цены на них остаются высокими и выбор невелик. Лучшим вариантом, как принято считать, является продукция компании Goal Zero (хотя есть и российская, и китайская продукция, как всегда под сомнением).

Но оказалось, что не все плохо производится в Китае или Корее. Особенно порадовала чикагская компания по производству солнечных батарей YOLK, которая начала производство самой тонкой и легкой компактной солнечной бумаги Solar Paper. Его вес всего 120 грамм. Но есть и другие преимущества: модульная конструкция позволяет увеличить мощность. Солнечная панель похожа на пластиковую коробку, размером с iPad, только вдвое тоньше. Спереди есть солнечная панель. На корпусе есть гнездо для ноутбука и USB-порты и для подключения других солнечных батарей, а также фонарика. Внутри этой чудесной коробки находятся батарейки и плата управления. Заряжать устройство можно от одной розетки, и одновременно это может быть телефон и два ноутбука. Конечно, аппарат тоже заряжается от солнца. Как только на него попадает свет, загорается индикатор. В полевых условиях солнечная панель просто незаменима — она ​​успешно заряжает все необходимые устройства — более быстрые телефоны, ноутбуки.

Портативные солнечные батареи компактны — они даже бывают в виде брелков, которые можно прикрепить к чему угодно. Они разработаны таким образом, чтобы их можно было брать с собой на рыбалку, экскурсию и т.д. У них должен быть фонарик, чтобы ночью можно было освещать дорогу, палатку и так далее, опоры, позволяющие легко разместить их на рюкзаках, байдарках, палатках. Очень важно, чтобы в таком устройстве был встроенный аккумулятор, позволяющий заряжать устройства в ночное время.

Виды кристаллов фотоэлементов

Внешний вид и характеристики

Поликристаллы → Отличительная черта — синий цвет, КПД — 14%.

Монокристаллы → КПД — 16%.

Основа — аморфный кремний → Производительность — 6-8%.

База — теллурид кадмия → КПД — 11%.

Основа — полупроводник CIGS → Значение КПД — 25%.

Работа солнечной панели зависит от типа кристаллов в фотоэлементе. Панели на основе монокристаллов обладают высоким КПД, высокая цена конструкций. Солнечные элементы на основе аморфного кремния относятся к низкой ценовой категории, но максимальная производительность таких конструкций составляет всего 8%. Работа солнечной панели из аморфного кремния недолговечна.

Внутреннее устройство гелиобатареи

Солнечные батареи постепенно становятся дешевле и эффективнее. Сейчас они используются для подзарядки батарей уличных фонарей, смартфонов, электромобилей, частных домов и спутников в космосе. Даже начали строить полноценные солнечные электростанции (СЭС) с большими объемами генерации.

Солнечная батарея состоит из множества фотоэлектрических элементов (фотоэлектрических преобразователей FEP), которые преобразуют энергию солнечных фотонов в электричество

Каждая солнечная батарея представляет собой блок из нескольких модулей, которые объединяют последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Чтобы понять принципы работы такой батареи, необходимо понять работу этого конечного звена в устройстве на основе полупроводниковой солнечной панели.

Виды кристаллов фотоэлементов

Существует огромное количество вариантов FEP из разных химических элементов. Однако по большей части это разработки на ранней стадии. Пока что в промышленных масштабах производятся только солнечные панели на основе кремния.

Кремниевые полупроводники используются в производстве солнечных элементов из-за их невысокой стоимости, особо высоким КПД они похвастать не могут

Обычный солнечный элемент в солнечной панели представляет собой тонкий лист из двух слоев кремния, каждый из которых имеет свои физические свойства. Это классический полупроводниковый pn переход с электронно-дырочными парами.

Когда фотоны попадают в ПВХ между этими полупроводниковыми слоями, из-за неоднородности кристалла образуется затворная фотоэдс, что приводит к разности потенциалов и электронному току.

Силиконовые пластины фотоэлементов различаются по технологии изготовления на:

1. Монокристаллический.
2. Поликристаллический.

Первые обладают большей эффективностью, но и стоимость их производства выше, чем у вторых. Внешне один вариант на солнечной батарее можно отличить по форме.

Галерея изображений Фотографии солнечных электростанций для автономного электроснабжения собираются из солнечных панелей, частью которых являются полупроводниковые солнечные элементы. В зависимости от способа производства и непосредственно связанной с ним эффективности солнечные элементы делятся на моно- и поликристаллические типы монокристалл, выращенный в лабораторных условиях. Они более темные, имеют вид прямоугольника со скругленными углами.Фотоэлементы из монокристаллического кремния вырабатывают энергию с КПД 20-22%. Одной ценой они дороже поликристаллических. Внешне это прямоугольники с четкими геометрическими формами, цвет у них более светлый и синий, производительность ниже — до 18%. Солнечные панели собираются из фотоэлементов обоих типов по общим правилам. В готовом к установке модуле должно быть 36 или 72 шт. Сборка как моно-, так и поликристаллических фотоэлементов производится сваркой спереди и сзади. Соедините их последовательно

Монокристаллические ПВХ имеют однородную структуру, выполнены в виде квадратов со срезанными углами. Напротив, поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму.

Поликристаллы получают путем постепенного охлаждения расплавленного кремния. Этот метод предельно прост, поэтому такие фотоэлементы стоят недорого.

Но их производительность по выработке электроэнергии из солнечного света редко превышает 15%. Это связано с «примесью» полученных кремниевых пластин и их внутренней структуры. Здесь чем чище слой кремния, тем выше эффективность ПВХ из него.

Чистота монокристаллов в этом смысле намного выше, чем у поликристаллических аналогов. Они сделаны не из расплава, а из искусственно выращенного твердого кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования такого ПВХ уже достигает 20-22%.

В общем модуле отдельные фотоэлементы смонтированы на алюминиевой раме и для защиты сверху закрыты прочным стеклом, которое не мешает солнечным лучам

Верхний слой пластины фотоэлемента, обращенный к солнцу, изготовлен из того же кремния, но с добавлением люминофора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

Настоящим прорывом в использовании солнечной энергии стала разработка гибких панелей с аморфным фотоэлектрическим кремнием:

Принцип работы солнечной панели

Когда солнечные лучи попадают на фотоэлемент, в нем образуются неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и «дырки» частично переносятся через pn переход от одного полупроводникового слоя к другому.

В результате во внешней цепи появляется напряжение. В этом случае положительный полюс источника тока формируется в контакте со слоем p, а отрицательный полюс — со слоем n.

Разность потенциалов (напряжение) между контактами фотоэлемента возникает из-за изменения количества «дырок» и электронов с разных сторон pn перехода в результате облучения n-слоя солнечным светом

Фотоэлементы, подключенные к внешней нагрузке в виде батареи, образуют с ней замкнутый круг. Следовательно, солнечная панель функционирует как своеобразное колесо, по которому вместе «бегают» электроны. И аккумулятор постепенно заряжается.

Стандартные кремниевые фотоэлектрические преобразователи представляют собой элементы с одним переходом. Приток электронов в них происходит только через pn переход с ограниченной энергетической зоной фотона этого перехода.

То есть каждый из этих фотоэлементов способен вырабатывать электричество только из узкого спектра солнечного излучения. Вся остальная энергия тратится впустую. Вот почему эффективность FEP так низка.

Для повышения эффективности солнечных элементов кремниевые полупроводниковые элементы для них в последнее время начали делать многопереходными (каскадными). В новых EFF уже есть несколько переходов. Более того, каждый из них в этом водопаде рассчитан на свой собственный спектр солнечного света.

Общая эффективность преобразования фотонов в электрический ток в таких фотоэлементах со временем увеличивается. Но цена у них намного выше. В этом случае либо простота изготовления при невысокой стоимости и низкой эффективности, либо более высокий выход в сочетании с высокой стоимостью.

Солнечная батарея может работать как летом, так и зимой (ей нужен свет, а не тепло) — чем меньше облачность и ярче солнце, тем больше солнечная панель будет вырабатывать электричество

Во время работы фотоэлемент и вся батарея постепенно нагреваются. Вся энергия, которая не использовалась для выработки электрического тока, превращается в тепло. Температура на поверхности солнечной панели часто поднимается до 50–55 ° С. Но чем он выше, тем менее эффективно работает фотоэлемент.

В результате та же модель солнечной батареи генерирует меньше тока в жару, чем в холодную погоду. Фотоэлементы показывают максимальную эффективность в ясный зимний день. Здесь есть два фактора: много солнца и естественное охлаждение.

Кроме того, если на панель выпадет снег, она все равно будет вырабатывать электричество. К тому же снежинки даже не успеют на них полежать, тая от тепла нагретых фотоэлементов.

Обзор модулей, не использующих кремний

Солнечные батареи более дорогих аналогов достигают коэффициента 30%; они могут быть во много раз дороже аналогичных кремниевых систем. Некоторые из них по-прежнему имеют более низкую эффективность, несмотря на способность работать в агрессивной среде. Для изготовления таких панелей часто используют теллурид кадмия. Другие элементы тоже используются, но реже.

Перечислим основные преимущества:

1. Высокий КПД от 25 до 35% с возможностью достижения в относительно идеальных условиях даже 40%.
2. Фотоэлементы стабильны даже при температуре до 150 ° C.
3. Концентрируя свет лампы на небольшой панели, приводится в действие водяной теплообменник, который производит пар, который вращает турбину и вырабатывает электричество.

Как мы уже говорили ранее, недостатком является высокая цена, но в некоторых случаях они являются лучшим решением. Например в экваториальных странах, где поверхность модулей может достигать 80 ° C.

Схема подключения батареи к контроллерам и аккумуляторам

Как устроены солнечные батареи и из чего они состоят, мы выяснили. Поговорим теперь о практическом использовании. Сама по себе солнечная панель малопригодна. Он не производит особо высокого напряжения, которое, к тому же, постоянно увеличивается. Облачно — одно напряжение, солнечно — другое. Поднялось облако — мы прыгнули.

Кроме того, солнечная панель обеспечивает постоянный ток, в то время как большая часть бытовой техники работает на переменном токе. И, конечно, ночью солнечные батареи совершенно бесполезны. Чтобы получить от такого источника какую-либо пользу, необходимо накапливать энергию и преобразовывать ее в требуемые значения. То есть нужно построить солнечную электростанцию.

в качестве накопителя энергии очень удобно использовать обычные автомобильные аккумуляторы. Они идеально подходят для натяжения и легко подбираются под нагрузку. Аккумулятор не только сохраняет энергию, но и стабилизирует напряжение. Если он упадет на панель, потребитель получит питание от аккумулятора. Он увеличен — панель будет питать потребителей и одновременно заряжать аккумулятор.

Преобразование постоянного напряжения аккумулятора в переменное напряжение 220 В несложно сделать с помощью так называемого инвертора (преобразователя). Сегодня на полках полно таких устройств самой разной мощности и стоимости.

Важно! Выбирая преобразователь, следует учитывать, что некоторым бытовым приборам, например холодильникам, нужна чистая синусоида. Более дешевые устройства выдают не истинную синусоидальную волну, а так называемую приближенную, состоящую из набора противоположно поляризованных прямоугольников.

Но просто взять и подключить панель к АКБ нельзя. В конце концов, необходимо заряжать аккумулятор определенным током, и нельзя допускать его перезарядки. Следовательно, нам понадобится еще один узел — контроллер заряда аккумулятора. Он будет самостоятельно выдерживать ток заряда и отключать аккумулятор от панели, если он полностью заряжен или если панель не может обеспечить необходимое напряжение.

Купить такой прибор тоже не проблема, есть очень дешевые модели, хотя при желании можно взять прибор с целым набором дополнительных функций: вольтметр, таймер, собственный преобразователь и т.д.цена, конечно, будет соответствующая. Что касается схемы подключения всех узлов, то она довольно проста.

Особых пояснений не требует. Напряжение панели поступает на контроллер, который заряжает аккумулятор и питает нагрузку низким напряжением (не все модели). Аккумулятор, в свою очередь, питает преобразователь, если энергии солнечной панели недостаточно для этих целей.

Конечно, такая схема не универсальна — все будет зависеть от используемого контроллера. В любом случае он получится столь же простым и обязательно войдет в комплект с устройством.

Эффективность солнечных батарей

Ученые работают над повышением эффективности, но пока что первые по этому показателю солнечные панели на монокристаллических элементах. Состоящие из нескольких слоев — монокристаллические панели, расположенные таким образом, что один из слоев поглощает зеленую энергию, другой — красную, третий — синюю. Но стоимость таких панелей очень высока.

Производство солнечных батарей

Как известно, солнечная батарея состоит из нескольких необходимых частей. Его основа, как двигатель в машине или человеческое сердце, представляет собой солнечную батарею: прозрачный прямоугольный ящик с темными квадратами из тонко нарезанного кремния внутри. Кремний, используемый в производстве, а точнее его оксид (соединение с кислородом), является основным элементом при производстве солнечных элементов.

Технологии, лежащие в основе производства солнечных элементов, постоянно совершенствуются и состоят из нескольких этапов.

• На первом этапе подготавливается сырье: кварцевый песок очищается путем прокаливания его с коксом. В результате он освобождается от кислорода, превращаясь в кусочки чистого кремния, чем-то напоминающего уголь. Таким образом, из него выращивают кристаллы, составляющие основу солнечных батарей, упорядочивая структуру кремния. Для этого чистый кремний погружают в тигель, нагревают до высокой температуры, добавляя затравку в расплавленную лаву. Можно сравнить его с образцом будущего кристалла, вокруг которого слой за слоем растет кремний упорядоченной структуры. После нескольких часов выращивания получается кристалл монокремния (или поликристаллического кремния, процесс изготовления которого дороже, что сказывается на цене солнечных элементов из него), похожий на большую сосульку. Затем цилиндрическая заготовка трансформируется в параллелепипед. Далее кусок разрезают на пластины толщиной 100-200 мкм (толщина трех человеческих волос), их проверяют, сортируют и отправляют на следующий этап обработки.
• На втором этапе пластина сваривается секциями, из которых на стекле формируются блоки, чтобы исключить возможность механического воздействия на готовые солнечные элементы. Секции обычно состоят из 9-10 солнечных элементов, блоки — 4-6 секций.
• Третий этап состоит в ламинировании сварных пластин в блоки с пленкой этиленвинилацетата, а затем с защитным покрытием, которое выполняется с помощью компьютера, который контролирует давление, вакуум и температуру.
• Четвертый этап — заключительный. При этом монтируется распределительная коробка и алюминиевый каркас. Испытание проводится снова, во время которого измеряются напряжение холостого хода, ток короткого замыкания, напряжение и ток точки максимальной емкости.

Лидерами среди компаний, производящих солнечные панели, являются страны: Китай (компании Trina Solar, Yingli, Suntech), Япония (Sharp Solar) и США (First Solar), которые не только их производят, но и участвуют в проектировании панельных солнечных станций и их строительство… Самая мощная солнечная электростанция в мире Agua Caliente в Аризоне — дело рук этой компании. Строительство крупнейшей в Украине солнечной электростанции «Перово» осуществила австрийская компания Activ Solar).

Использование солнечных батарей Suntech для освещения стадиона в Пекине

Контроллер заряда для солнечных батарей

Непосредственное подключение панели к аккумулятору имеет недостатки:

• Аккумулятор с номинальным напряжением 12 В будет заряжаться только тогда, когда напряжение на выходе фотоэлементов достигнет 14,4 В, что близко к максимальному. Это означает, что батареи не будут заряжаться какое-то время.
• Максимальное напряжение фотоэлементов составляет 18 В. При таком напряжении зарядный ток аккумуляторов будет слишком высоким и быстро выйдет из строя.

Чтобы избежать этих проблем, необходимо установить контроллер заряда. Самые распространенные конструкции — это ШИМ и MRPT.

ШИМ-контроллер заряда

Работа контроллера PWM (широтно-импульсной модуляции — PWM) поддерживает постоянное напряжение на выходе. Это обеспечивает полную зарядку аккумулятора и защищает его от перегрева во время зарядки.

МРРТ-контроллер заряда

Контроллер MPPT (Maximum Power Point Tracker) обеспечивает значение выходного напряжения и тока, которые максимизируют потенциал солнечной батареи, независимо от яркости солнечного света. При пониженной яркости света увеличьте выходное напряжение до уровня, необходимого для зарядки аккумуляторов.

Такая система есть во всех современных инверторах и контроллерах заряда

5. Особенность строения солнечных панелей типа CIGS

В основе сульфидных редкоземельных аккумуляторов лежит композитная смесь галлия, индия и меди. Такие панели — «чемпионы» по эффективности и долговечности, но стоят они очень дорого.

Коммерческое применение пока ограничено только космосом и авиационной промышленностью, поскольку добыча индия и галлия на планете ограничена несколькими сотнями тонн в год. Даже если бы все пошли делать батареи, общая мощность панелей едва достигла бы 10 ГВт.