Принцип работы и схема солнечной батареи

Эту статью можно считать вводной в тему СЭС. Здесь будут описаны принцип работы, назначение и конструктивные особенности солнечных батарей. Также немного разберемся в терминологии солнечной энергетики.

Терминология

В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.

По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.

Вначале следует разобраться в существующих разновидностях оборудования для гелиоэнергетики. Солнечные батареи и солнечные коллекторы – это два принципиально разных устройства. Оба они преобразуют энергию лучей солнца.

Однако в первом случае на выходе потребитель получает энергию электрическую, а во втором тепловую в виде нагретого теплоносителя, т.е. солнечные панели используют для отопления дома.

Максимум отдачи от солнечной панели можно будет получить, только зная, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как все это правильно подключается

Второй нюанс – это понятие самого термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается некое аккумулирующее электроэнергию устройство. Либо на ум приходит банальный отопительный радиатор. Однако в случае с гелиобатареями ситуация кардинально иная. Они ничего в себе не накапливают.

Солнечной панелью генерируется постоянный электроток. Чтобы преобразовать его в переменный (используемый в быту), в схеме должен присутствовать инвертор

Солнечные батареи предназначены исключительно для генерации электрического тока. Он, в свою очередь, накапливается для снабжения дома электричеством ночью, когда солнце опускается за горизонт, уже в присутствующих дополнительно в схеме энергообеспечения объекта аккумуляторах.

Батарея здесь подразумевается в контексте некой совокупности однотипных компонентов, собранных в нечто единое целое. Фактически это просто панель из нескольких одинаковых фотоэлементов.

Конструктивные особенности

Прожекторы на солнечных батареях, равно как и любой другой вид осветительных приборов, действующих на базе природного излучения, а также солнечные панели, как источник электрического тока, функционируют на основе фотоэлектрических элементов. Преобразование естественного света в электроэнергию происходит посредством p-n перехода. Величина электрических параметров (тока и напряжения) будет напрямую зависеть от интенсивности падающего на поверхность батареи излучения.

Схема работы

Именно поэтому прослеживается вполне логичная связь между размерами батареи, а также ее производительностью. Соответственно, прожекторы, работающие на солнечных тепловых батареях, позволяют освещать довольно большие территории, так как функционируют на базе мощных панелей. КПД подобных устройств зависит еще и от материала, из которого изготовлена батарея, а также от технологии ее производства.

Конструкция таких приборов состоит из следующих элементов:

• Непосредственно сама солнечная батарея, продуцирующая постоянный электрический ток;
• Аккумулятор;
• Контроллер для управления зарядом солнечной батареи;
• Инвертор, задача которого заключается в преобразовании постоянного тока в переменный эквивалент, что позволяет подключать различную технику на обслуживаемом объекте.

Особенностью источника питания данного рода является возможность подключения параллельно или последовательно. В первом случае на выходе получается большое значение напряжения, во втором – увеличивается значение тока.

Если выполнить соединение солнечных элементов батареи комбинированным способом, когда используется и параллельное, и последовательное подключение, то результатом будут большие значения и напряжения, и тока.

Чтобы увеличить мощность такого устройства используется модульная конструкция, как, например, для обслуживания крупного объекта. При этом выполняется подключение нескольких батарей сразу. А вот прожекторы на солнечных батареях функционируют от единственного источника питания, который должен быть полноразмерным для получения на выходе большой мощности, так как такие осветительные приборы используются для обслуживания больших территорий.

Эффективность батарей гелиосистемы

Один фотоэлемент даже в полдень при ясной погоде выдает совсем немного электроэнергии, достаточной разве что для работы светодиодного фонарика.

Чтобы повысить выходную мощность, несколько ФЭП объединяют по параллельной схеме для увеличения постоянного напряжения и по последовательной для повышения силы тока.

Эффективность солнечных панелей зависит от:

• температуры воздуха и самой батареи;
• правильности подбора сопротивления нагрузки;
• угла падения солнечных лучей;
• наличия/отсутствия антибликового покрытия;
• мощности светового потока.

Чем ниже температура на улице, тем эффективней работают фотоэлементы и гелиобатарея в целом. Здесь все просто. А вот с расчетом нагрузки ситуация сложнее. Ее следует подбирать исходя из выдаваемого панелью тока. Но его величина меняется в зависимости от погодных факторов.

Гелиопанели выпускаются с расчетом на выходное напряжение, кратное 12 В – если на аккумулятор надо подать 24 В, то две панели к нему придется подсоединить параллельно

Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться контроллером управления, который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.

Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею – прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.

Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени.

Для московского региона – это приблизительно 40–45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.

И еще один момент – пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую “грязную” преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно.

Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред.

Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.

Солнце батарею из фотоэлементов в идеале должно освещать равномерно. Если один из ее участков оказывается затемненным, то неосвещенные ФЭП превращаются в паразитную нагрузку. Они не только в подобной ситуации не генерируют энергию, но еще и забирают ее у работающих элементов.

Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.

Технология производства

Для создания солнечных панелей используется чаще всего кремний. По степени распространенности этот элемент считается вторым во всем мире. На производстве применяется кварцевый песок, причем важно, чтобы он был максимально очищен от примесей. Технология обработки этого материала включает в себя несколько этапов по его переплаву, вместе с синтезом при участии химических веществ.

Смотрим видео, этапы производства и принцип работы солнечного элемента:

Дальнейшие действия зависят от того, какого рода технический кремний планируется получить: монокристаллический, поликристаллический или аморфный. При производстве первого варианта из названных используется способ выращивания материала с однородной структурой посредством затравочного монокристалла. Для получения поликристаллического материала применяется химическое осаждение паров, при этом структура получается неоднородной, так как молекулы застывают неупорядоченно.

Схема электропитания дома от солнца

Система солнечного электроснабжения включает:

• Гелиопанели.
• Контроллер.
• Аккумуляторы.
• Инвертор (трансформатор).

Контроллер в этой схеме защищает как солнечные батареи, так и АКБ. С одной стороны он препятствует протеканию обратных токов по ночам и в пасмурную погоду, а с другой – защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.

Аккумуляторные батареи для гелиопанелей следует подбирать одинаковые по возрасту и емкости, иначе зарядка/разрядка будут происходить неравномерно, что приведет к резкому снижению срока их службы

Для трансформации постоянного тока на 12, 24 либо 48 Вольта в переменный 220-вольтовый нужен инвертор. Автомобильные аккумуляторы применять в такой схеме не рекомендуется из-за их неспособности выдерживать частые перезарядки. Лучше всего потратиться и приобрести специальные гелиевые AGM либо заливные OPzS АКБ.

Назначение и область применения

Организация энергоснабжения с помощью альтернативных источников питания сегодня явление не редкое. Устройство солнечных разнотипных батарей позволяет использовать их в сельском хозяйстве, промышленности и даже на военно-космических объектах. Такое решение очень часто применяется и в бытовых условиях для обеспечения электричеством всего дома.

Альтернативные источники энергии являются одним из способов организации энергоснабжения на удаленных территориях, где отсутствуют централизованные электросети. В данном случае использование таких панелей представляет собой намного более выгодное решение, нежели подключение к сети. В зависимости от вида батареи могут напрямую продуцировать электрический ток или сначала нагревать теплоноситель. Последний из названных вариантов относится к гелиоэнергетике.

Используемые источники:

sovet-ingenera.com, generatorvolt.ru