Ещё не так давно автономная система обеспечения электроэнергией была чем-то из области фантастики. Но в последнее время такие устройства приобретают большую популярность. Экономные жители европейских стран уже много лет пользуются солнечными батареями для обеспечения собственных домов электричеством.
В нашей стране такое новшество ещё на стадии развития, хотя некоторые домовладельцы уже успели по достоинству оценить выгоду от таких устройств. В первую очередь, это обусловлено постоянно растущими тарифами на электроэнергию и другие коммунальные услуги. Благодаря постоянному усовершенствованию современных технологий стоимость солнечных батарей медленно, но уверенно падает, что делает их более доступными для среднестатистического потребителя.
Как устроена солнечная батарея?
Конструктивное исполнение разных моделей устройств для преобразования энергии солнца в электричество имеет одинаковые элементы. Большая часть батарей состоит из следующих составляющих:
устройство, генерирующее, постоянный ток;- блок аккумуляторных батарей;
- преобразователь постоянной величины тока в переменную.
В свою очередь, конструкция солнечной батареи состоит из фотоэлектрического преобразователя. При этом в изготовлении таких преобразующих компонентов используют кремний – достаточно дорогой природный материал. На сегодняшний день рассматривают два основных типа фотоэлектрических преобразователей:
- преобразователи в изготовлении которых используется монокристаллический кремний;
- приборы из поликристаллического материала.
К важнейшим техническим параметрам всех солнечных батарей можно отнести их коэффициент полезной мощности. Благодаря этому критерию определяется экономичность и качество преобразующего устройства. Полезная мощность определяется на основании показателей тока и напряжения, которые будут зависеть от степени интенсивности солнечных световых потоков, попадающих на фотоэлементы.
Хочется отметить, что величина тока на выходе солнечной батареи зависит не только от интенсивности солнца, но и от габаритов принимающих элементов. Во время дождя или зимой, когда постоянно пасмурно показатели мощности и напряжения в значительной мере снижаются, что обусловлено уменьшением выходного тока.
Если батарею замкнуть на любой нагрузке с сопротивлением, то по такой цепи начинает протекать ток, величина которого будет зависеть от качества преобразующих элементов и интенсивности потока солнечных лучей. При этом мощностные показатели, выделяемые при нагрузке, будут равны величине тока и напряжения перемноженных между собой.
Максимальных мощностных показателей, потребляемых электрическими приборами можно достичь только при оптимальном сопротивлении, которое должно соответствовать пиковому значению КПД солнечной батареи. При этом каждое преобразующее устройство обладает своим оптимальным размером сопротивления, значение которого будет зависеть от параметров фотоэлектрических преобразователей.
В конструкцию солнечной батареи входят отдельные элементы, соединённые по последовательной или параллельной схеме благодаря чему, улучшаются параметры на выходе. При последовательном соединении увеличивается величина напряжения, а при параллельном — ток. Обычно на практике используют комбинацию методов соединения что позволяет увеличить общие выходные параметры прибора.
Преимуществом комбинированного варианта соединения фотоэлементов является и то что в значительной мере увеличивается надёжность солнечной батареи. В первую очередь — это обусловлено тем, что при выходе из строя отдельно взятого элемента это практически не повлияет на качество работы устройства в целом.
Для увеличения надёжности солнечных батарей их элементы шунтируются с помощью диодов. При этом для каждого фотоэлектрического элемента используется по 4 диода. Благодаря этому отдельные элементы, на которые не попадает свет не выходят из строя. В такой ситуации приблизительно на четверть уменьшается генерируемая выходная мощность.
Если пренебречь установкой диодов, то из-за перегрева элементы принимающие солнечные лучи будут ломаться, так как при отсутствии света они начинают потреблять ток, а благодаря использованию диодов ток не будет проходить через них.
Солнечные батареи – принцип работы
Все преобразователи световой энергии в электрическую работают по достаточно простому принципу, который известен большинству людей ещё со школьного курса физики. В частности, нужно вспомнить принцип действия p-n перехода. Именно благодаря ему происходит превращение света в электричество.
Такой принцип работы может проиллюстрировать транзистор со срезанным корпусом. Лучи света, попадая, на p-n переход преобразуются в электрический ток, о появлении которого будет свидетельствовать вольтметр, подключённый к выводам. При этом если увеличить площадь перехода показатели электроэнергии также возрастут. Поэтому все современные батареи имеют достаточно большие габариты, позволяющие в полной мере удовлетворить нужды потребителей в электрической энергии.
С каждым годом происходит усовершенствование материалов и конструкции солнечных батарей, благодаря чему в значительной мере увеличивается коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую. При этом параметры тока и напряжения на выходе прибора зависят от степени освещённости фотоприёмников.
Кремниевые преобразователи солнечной энергии
Солнечными батареями, изготавливаемыми из кремния, вырабатывается ток постоянной величины, образуемый благодаря попаданию на кремневодородные элементы потоков солнечного света. Особенность материала такова что световые потоки, попадающие на поверхность, производят сдвиг электронов с орбиты атома. Благодаря этому свободные электроны вырабатывают электричество. Такие преобразователи обладают высокой производительностью, но имеют сложную в изготовлении конструкцию, из-за которой значительно возрастает цена устройства. При этом на сегодняшний день различают определённые модели кремниевых устройств.
Монокристаллический преобразователь, отличительной особенностью элементов которого является общая направленность чувствительных к свету ячеек в одном направлении. Это, в свою очередь, позволяет работать солнечной батарее с максимальным коэффициентом КПД. Но для качественной работы фотоприёмники должны быть постоянно развёрнуты к свету.- Поликристаллическое устройство работает благодаря пластинам, состоящим, из разнонаправленных кристаллов кремния что снижает уровень КПД на несколько процентов. Также такие солнечные батареи отличаются внешне, так как состоят из пластин с правильной формой и тёмно-синим окрасом. Неоднородность оттенка и структуры таких устройств обусловлена разнородностью кристаллов кремния и наличием различных примесей.
- Аморфное преобразующее устройство представляет собой тончайшие кремниевые слои, получаемые путём напыления материала в условиях вакуума. В качестве основы берут высококачественную металлическую фольгу, стекло или полимерные материалы. Такие солнечные батареи имеют незначительный КПД по сравнению с другими преобразователями. Это в первую очередь обусловлено повышенным выгоранием кремниевого слоя под влиянием радиации солнечных лучей. Как стало известно, из практики качество работы аморфного преобразователя через несколько месяцев снижается на 25%, а по прошествии нескольких лет солнечная батарея совсем перестаёт работать.
- Гибридный фотопреобразователь – устройство, объединившее в себе аморфные панели и микрокристаллический кремний. Качество работы гибридного преобразователя приближено к характеристикам поликристаллического аналога, с единственным отличием в том, что уровень КПД даже при рассеянном свете на порядок выше. Помимо этого, такие солнечные батареи могут преобразовывать как ультрафиолетовый спектр, так и инфракрасное излучение.
Полимерный преобразовать солнечной энергии
Полимерный преобразователь солнечной энергии в электрическую – перспективный вариант замены кремниевого аналога. Прибор состоит из плёнки с полимерным активным слоем, электродов из алюминия и подложки с высокой гибкостью. Благодаря объединению всех фотоэлементов между собой получается устройство рулонного типа.
Такие солнечные батареи достаточно гибкие и имеют незначительный вес. При этом их стоимость намного ниже чем у аналогов из кремния, который является дорогостоящим материалом. Помимо этого, такие системы обладают высокой экологичностью что очень актуально на сегодняшний день.
Хочется отметить, что полимерные солнечные батареи имеют невысокий КПД. Для широкого потребителя первые такие устройства начали производить в Дании. При этом сама процедура производства происходит за счёт многослойной печати фотоэлементов на специальной гибкой плёнке, которую можно разрезать по любым размерам что очень удобно. Стоимость плёночного элемента намного меньше чем у аналогов из кремния. Но повстречать такую солнечную батарею на прилавках магазинов практически невозможно. Процесс производства только входит в начальную стадию развития.
Работа солнечной батареи в плохую погоду
Солнечная батарея – замечательный источник электричества, придуманный человеком. Но из-за того, что основной работы таких устройств является солнечный свет, то если на улице дождь или тучи, эффективность их работы падает в разы. Особенно это актуально в осенне-зимний период года, когда погода не балует большим количеством солнечных дней.
Исходя из опыта использования солнечных источников электричества, зимой коэффициент производимой энергии падает практически в 5 раз. А если взять во внимание, что производительность таких устройств изначально ниже стандартного электроснабжения, то использование солнечных батарей зимой или в пасмурную погоду практически бессмысленно.
Помимо этого, при выпадении снега нужно выполнять очистку панелей, причём делать это нужно с максимальной осторожностью, так как любой дефект или повреждение фотоэлементов значительно снизит работу батареи в целом. А если говорить об осадках в виде града, то они просто губительны для солнечных батарей, так как все модули от механических ударов льдинок приходят в полную негодность.
Естественно, на сегодняшний день можно увеличить производительность солнечного источника электроэнергии в пасмурную погоду или зимой. Для этого были разработаны специальные приборы, отслеживающие положение солнца. Это позволяет моноблоку располагаться под правильным углом к источнику света. В первую очередь — это важно по той простой причине, что даже незначительное отклонение батареи от солнца сильно снижает её производительность. И чем сильнее угол отклонения, тем меньше электричества вырабатывается устройством.
