Что такое солнечные панели: 3 особенности. Солнечная панель как работает


Из чего сделаны солнечные батареи: их разновидности, принцип работы

С того момента, когда в далеком 1839 году французский ученый Александр Беккерель случайно наткнулся на непонятное явление, связанное с воздействием света на некоторые материалы, произошло много событий. И наткнувшись на старую публикацию в физическом журнале, немецкий физик Генрих Герц уже не случайно проводит опыты, облучая ультрафиолетовым светом цинковые разрядники резонатора.

Его исследования привели к открытию того, что сейчас называется «внешний фотоэффект». Далее эстафету принял русский ученый Александр Столетов, который, исследуя это явление, сделал несколько важнейших открытий и вывел первый закон фотоэффекта. В начале ХХ века Альберт Эйнштейн, взяв за основу гипотезу Макса Планка, дал принципиальное объяснение фотоэффекта.

С тех пор многие выдающиеся ученые занимались изучением фотоэффекта, надеясь найти этому явлению практическое применение. И решение было найдено. Вначале итальянец Джакомо Луджи Чамичан создает прототип, а уже в 1954 году американская компания Bell Laboratories объявила о том, что ее специалистами создана первая в мире солнечная батарея, вырабатывающая электрический ток под воздействием солнечного света. Это и был фотоэффект в действии.

Так что же это такое, из чего сделаны солнечные батареи, как они работают.

Как правило, когда говорят «солнечная батарея», подразумевают, что это один или несколько фотопреобразователей, которые, будучи облучены солнечным светом, преобразовывают его в электричество. Главный элемент преобразования солнечного излучения в электричество – это, конечно же, материал, который, будучи освещенным, преобразовывает поток света в электроэнергию. Материал этот – полупроводник.

В электротехнике, электронике используются, как правило, два полупроводника – германий (Ge) и кремний (Si). В фотовольтаике в большинстве своем используется кремний как наиболее распространенный и дешевый. Германий – редкий элемент, дорогой, поэтому он используется в исключительных случаях.

СтруктураСтруктура солнечной батареи

Для изготовления солнечных фотопреобразователей используются два вида кремния – монокристаллический и поликристаллический. Как уже явствует из характеристик, монокристаллические фотопреобразователи изготавливаются из кристаллов кремния, выращенных искусственно.

Эти кристаллы затем по специальной технологии нарезаются на тонкие пластины, из которых изготавливаются сами фотопреобразователи. Нарезанные пластины тщательнейшим образом проверяются на точность нарезки, толщину самой пластины, отсутствие физических дефектов.

Этот контроль необходим для последующей сборки самого солнечного модуля, так как малейшее отклонение параметров хотя бы одного элемента влечет за собой значительные потери мощности всего солнечного модуля. Пластины монокристаллического кремния окрашены в равномерный темно-серый цвет – это естественный цвет кристаллов кремния.

Кремниевые фотоэлементыКремниевые фотоэлементыПоликристаллический (слева), монокристаллический (справа)

В отличие от монокристаллов, поликристаллические фотопреобразователи изготавливаются методом литья. Такие фотопреобразователи более просты и доступны. Если солнечные элементы из монокристаллического кремния представляют собой восьмиугольники строго выдержанного размера (допуск ± несколько микрометров), то поликристаллические элементы – как правило, прямоугольной формы с голубовато-синим отливом. К кремнию для получения особых свойств добавляют определенное количество мышьяка (As) и бора (B).

Преобразование света в электричество

Это и есть практическое применение фотоэффекта – прямое преобразование энергии света в энергию электрическую. Собственно, реакция материала на облучение светом зависит от кристаллической структуры полупроводника. Структурно каждый фотоэлемент состоит из двух слоев. Один слой в кристаллической решетке имеет переизбыток электронов и называется областью электронов.

Второй слой, соответственно испытывает недостаток электронов и называется дырочной областью (в электронике места, в которых должны быть электроны, но они там отсутствуют, называются дырками). Граница между этими слоями называется электронно-дырочный p-n переход. В зависимости от типа полупроводника свойства перехода могут быть другими. Тогда он называется дырочно-электронный n-p переход.

Принцип работы Принцип работы фотоэлемента

Под воздействием света эти два слоя начинают взаимодействовать, электроны из одного слоя начинают замещать дырки в другом слое. При этом возникает электродвижущая сила, превращая, по сути, эти два слоя в электроды обычной батарейки.

Теперь, чтобы использовать эту электрическую энергию, остается только подпаять к поверхности каждого слоя тонкие проводники и подключить нагрузку. Следует отметить, что этот процесс не вызывает никаких химических реакций в полупроводнике, а, следовательно, солнечная батарея, набранная из таких фотопреобразователей, может служить очень долго.

Во многих странах, в исследовательских центрах проводятся работы, которые призваны решить проблему повышения эффективности солнечных батарей. Пробуются комбинации различных материалов для использования их в качестве фотоэлементов. В тонкослойные кремниевые элементы добавляют в различных пропорциях галлий, мышьяк, медь, кадмий. Причем эти присадки могут быть как в чистом виде, так и в комбинациях материалов, например, арсенид галлия (GaAs).

Кроме того, на эффективность солнечных батарей большое влияние оказывает если не совпадение, то максимальная схожесть как физических (размеры), так и электрических (вольт-амперные характеристики) элементов, входящих в один солнечный модуль. В процессе эксплуатации солнечных батарей может возникнуть ситуация, при которой один или несколько фотопреобразователей могут быть затенены.

Таким образом, они на какой-то промежуток времени исключаются из рабочей конфигурации модуля. Но, будучи включенными в общую цепь, они могут разогреваться и, как следствие, выйти из строя. Отвод тепла от фотопреобразователей, постоянно облучаемых солнцем, также является достаточно серьезной проблемой, над решением которой работают многие ученые.

Разновидности солнечных батарей

Существуют несколько наиболее широко распространенных типов солнечных батарей. В первую очередь это, конечно же, солнечные панели, собранные на базе кремниевых фотопреобразователей. Наиболее высокая эффективность у модулей, изготовленных на базе монокристаллического кремния.

Монокристаллический модульМонокристаллический модуль

Коэффициент полезного действия таких модулей по последним данным в некоторых случаях может достигать 23%. В среднем же достигается значение эффективности, равное 18%. Более дешевые панели собраны на базе поликристаллического кремния.

Эффективность таких фотопреобразователей ниже и средний показатель ее не превышает 16%. Однако за счет того, что поликристаллические элементы имеют прямоугольную форму, они более полно заполняют корпус модуля. Поэтому значения мощностей, вырабатываемых модулями на базе монокристаллического и поликристаллического кремния, будут отличаться друг от друга на весьма незначительную величину.

Поликристаллический модульПоликристаллический модуль

Наиболее дешевые гелиевые батареи выполнены на базе аморфного кремния. Эти модули имеют наименьшую эффективность – порядка 8%, но и стоимость производимого электричества у этих устройств также самая низкая.

Модуль на базе аморфного кремнияМодуль на базе аморфного кремния

Следует также отметить гелиевые панели на базе теллурида кадмия (CdTe), выполненные по тонкопленочной технологии. Пленка толщиной в несколько сотен микрометров из этого полупроводника наносится на панель. Производство этих панелей является наименее вредоносным по сравнению с производством панелей других видов. Эффективность этих батарей достигает 12%.

Модуль на базе теллурида кадмияМодуль на базе теллурида кадмия

В последнее время получают распространение гелиевые модули на основе полупроводникового соединения, в состав которого входят индий, галлий, медь и селен (CIGS). Эти модули, как и модули из теллурида кадмия, изготавливаются по тонкопленочной технологии. Их эффективность достигает 15%.

Модуль на базе CIGSМодуль на базе CIGS

Разумеется, потребителю вовсе не обязательно знать, как устроена и работает его домашняя солнечная электростанция. Ведь никого не интересует, как устроен, скажем, телевизор. Мы просто смотрим передачи. Но, покупая телевизор, мы уже знаем его характеристики, знаем фирму, которая его выпускает, слышали отзывы о нем.

А вот, чтобы выбрать себе оборудование для домашней электростанции, нужно иметь хотя бы приблизительное представление о том, что именно вы собираетесь приобрести и как это будет работать. И нет сомнений в том, что элементарные знания об устройстве тех или иных элементов помогут вам сделать правильный выбор.

solarb.ru

Солнечная батарея своими руками [инструкция+схема]

Toggle navigation

  • Главная
  • Новичкам
    • Что такое криптовалюта
    • Блокчейн простыми словами
    • Что такое Bitcoin
    • Что такое майнинг
    • Что такое Ethereum
    • Что такое smart-контракт
    • Что такое ICO
    • Что такое токен
  • Рейтинги
    • Рейтинг валют (1300+)
    • Рейтинг бирж (30+)
    • Облачный майнинг
    • Перспективные криптовалюты
  • Купить Криптовалюты
    • Как купить биткоин
    • Как купить ethereum
    • Как купить Bitcoin Cash
    • Как купить Litecoin
    • Как купить Ripple
  • Кошельки
    • Как создать Bitcoin кошелек
    • Как создать Ethereum кошелек
    • Как создать Ripple кошелек
    • Как создать Dash кошелек
    • Как создать Litecoin кошелек
    • Как создать Bitcoin Gold кошелек
  • Майнинг
    • Что такое облачный майнинг
    • Калькуляторы майнинга
    • Майнинг на процессоре
    • Майнинг на видеокарте
    • ASIC майнинг
    • Браузерный майнинг
    • Майнинг на ноутбуке
    • Майнинг на мобильном телефоне
  • Блог

prostocoin.com

виды, гибридные и монокристаллические элементы

Солнечная батарея состоит из отдельных фотоэлектрических элементов, которые соединяясь вместе, обеспечивают необходимую мощность батареиСолнечная батарея состоит из отдельных фотоэлектрических элементов, которые соединяясь вместе, обеспечивают необходимую мощность батареиСолнечная энергетика уже давно стала не просто способом добычи электроэнергии, а настоящим символом альтернативного подхода к получению электричества. Солнечные панели устанавливают частные компании, государственные институты и даже домовладельцы. Это позволяет получать чистую энергию без вреда окружающей среде. К тому же многие виды панелей позволяют экономить счета за коммунальные услуги. Каковы же перспективы солнечной энергетики и стоит ли устанавливать панель на своем доме?

Особенности солнечной энергии

Тысячи лет люди смотрели на солнце, поклонялись ему как божеству, грелись благодаря ему и любовались закатами, однако никому даже в голову не приходило, что это небесное тело может приносить энергию. До 19-го века о существовании солнечной энергии было неизвестно, пока физики не придумали способ, позволяющий аккумулировать энергию от солнца. Как работает солнечная панель?

К настоящему времени основными способами использования солнечной энергии являются преобразование ее в электрическую и тепловуюК настоящему времени основными способами использования солнечной энергии являются преобразование ее в электрическую и тепловую

Первые попытки использовать энергию солнца были довольно далекими от современного устройства солнечных батарей.

На специальных станциях благодаря гигантским увеличительным стеклам лучи солнца собирались в пучок и направлялись в бак с водой. Жидкость нагревалась, вскипала и превращалась в пар, далее же все работало по принципу паровой турбины. Во время такого подхода терялось очень много энергии.

Спустя некоторое время были изобретены специальные фотоэлементы, которые вступают в реакцию с солнечными лучами и напрямую дают электричество.

Особенности энергии солнца уникальны:

  • Она абсолютно бесплатна;
  • Энергия солнца бесконечна и стабильна, она доступна всегда;
  • Энергию солнца можно получать везде.

Вы не привязаны к станциям, розеткам, месторождениям, ведь солнце есть везде.

Работают ли солнечные панели зимой и в дождь

Некоторые люди имеют неправильное представление о солнечных панелях как таковых. Некоторые полагают, что они работают за счет нагревания, другие уверены, что энергию дает свет. На самом деле реакция происходит из-за лучей. От мощности лучей и угла их попадания зависит, сколько энергии будет аккумулировано панелями.

Таким образом, пасмурная погода – действительно проблема. Тучи скрывают солнце и из-за этого КПД панелей падает. Энергия продолжает вырабатываться, однако слабее, чем при прямых лучах.

Зимой проблема заключается зимой в том, что дни короткие, а не на улице холодно. Прямые солнечные лучи зимой дают то же количество энергии, что и летом, однако из-за коротких дней объем собранной энергии оказывается ниже.

Еще один важный момент – это угол наклона батарей. Как уже было сказано, панели работают не из-за света, иначе им было бы достаточно просто освещения на улице, а именно направленности лучей. Зимой солнце проходит по небу ближе к горизонту, чем летом, поэтому положение батарей в разные времена года следует менять. Количество собранной энергии может быть на 40% ниже просто из-за неправильного угла панелей.

Виды солнечных панелей

В целом батареи для выработки энергии благодаря солнечным лучам делятся на два вида.

Можно выделить два направления – прямое преобразование солнечного излучения в электрический ток, и многократное преобразование солнечной энергии – в тепло, далее в механическую работу, а потом в электричествоМожно выделить два направления – прямое преобразование солнечного излучения в электрический ток, и многократное преобразование солнечной энергии – в тепло, далее в механическую работу, а потом в электричество

А именно:

  • Поликристалические. Панели являются наиболее распространенными на сегодняшний день, так как имеют высокое КПД и сравнительно низкую стоимость.
  • Монокристалические панели более эффективны, поэтому чаще всего все стараются устанавливать именно эту категорию солнечных батарей.

КПД панелей первого типа составляет около 12-14%, при этом этот параметр сильно падает зимой когда из-за невысокой продолжительности светового дня можно рассчитывать на всего пару процентов эффективности. Вторая категория более эффективна и поэтому ее стоит обсудить отдельно.

Монокристалические солнечные элементы: отличительная особенность

На вид такие панели выглядят как черные батареи, стоимость их чуть выше панелей первой категории, однако КПД также существенно отличается. Нормальный параметр для таких батарей составляет 15%, однако если батарея стоит под правильным углом к солнечным лучам, то может достигаться в активные солнечные дни КПД на уровне 20% и даже выше. Для солнечных панелей это очень много.

Чем больше площадь солнечных батарей, тем больше энергии они вырабатывают.

Таким образом, монокристалические панели дают около киловатта электроэнергии с 8 кв. метров площади, притом как панели из аморфного кремния потребуют площадь в 20 кв. метров для производства аналогичного объема энергии. Другими словами, такие панели дорогие, но экономят свободное место и дают больше энергии, именно поэтому в них вкладывают деньги все чаще.

Что такое гибридная солнечная панель

В Японии не так давно изобрели и начали активно тестировать так называемую гибридную солнечную панель. Это батарея, которая одновременно вырабатывает два типа энергии. Панель работает как солнечная батарея и благодаря аккумулированию солнечных лучей вырабатывает электричество. Однако параллельно этому процессу панель использует еще и тепловую энергию солнца, нагревая воду в трубах. Таким образом, КПД первой задачи составляет 15%, а второй – целых 62%.

Суть гибридной солнечной панели заключается в том, что она работает как солнечная батарея для вырабатывания электричества и как коллектор для нагрева водыСуть гибридной солнечной панели заключается в том, что она работает как солнечная батарея для вырабатывания электричества и как коллектор для нагрева воды

Одна большая солнечная панель способна полностью обеспечивать дом и электричеством, и теплой водой.

Несомненно, за таким гибридными панелями будущее. Однако пока что стоимость таких моделей значительно выше, чем цена традиционных панелей, именно поэтому японцы не спешат выпускать изобретение на рынок, стараясь снизить его стоимость.

Есть ли у солнечных батарей будущее

Не смотря на то, что солнечные панели позволяют вырабатывать чистую энергию, они все еще остаются диковинкой. А все потому, что стоимость панелей все еще высокая для массового внедрения. Кроме того, срок службы панелей составляет всего 30 лет, после чего они требуют замены. С другой стороны, солнечные батареи все же становятся дешевле, их цена с за последние 30 лет упала в 100 раз.

Основная задача на будущее — поиск и максимально эффективное использование возобновляемых источников энергии, а также разработка инновационных методов хранения полученной энергии, позволяющих использовать ее при отсутствии солнечного света или ветраОсновная задача на будущее — поиск и максимально эффективное использование возобновляемых источников энергии, а также разработка инновационных методов хранения полученной энергии, позволяющих использовать ее при отсутствии солнечного света или ветра

Солнечная энергетика остается чрезвычайно перспективной, однако требует инвестиций и нередко дотаций государства. По этой причине развивать альтернативную энергетику могут позволить себе пока что только самые богатые страны.

Для сравнения, на производство 1 Мвт/ч энергии в современном мире требуется около 70-80 долларов. На производство такого же объема энергии солнечными панелями потребуется 100-200 долларов, и это не учитывая траты на покупку панелей. Впрочем, в регионах с высокой солнечной активностью панели уже начинают конкурировать с традиционными способами добычи энергии.

Тормозит развитие солнечной энергетики еще и ветряная энергетика. В ветреных регионах стоимость производства энергии может быть в 2 раза ниже традиционных способов, именно поэтому многие сегодня вкладывают как раз в ветряки. Как бы то ни было, возобновляемая чистая энергия солнца все же имеет куда больше перспективы в масштабах частных домовладений, ведь каждый может теоретически установить панели на крыше своего дома, чего явно не скажешь о гигантских ветровых станциях.

Как работают солнечные панели (видео)

Что же, солнечные панели – это батареи, которые умеют фокусировать лучи света и аккумулировать энергию, направляя ее на нужные нам потребности. Солнечные панели работают и летом, и зимой, однако в холодную пору года их КПД крайне низок, так как световой день короткий. Для увеличения эффективности панелей они должны стоять под правильным углом к солнцу. Существует два основных вида панелей – поликристалические и монокристалические. Первые дешевле, но имеют КПД на уровне 12-14%, вторые дороже, зато аккумулируют энергию с эффективностью 15-18%. Солнечные панели являются способом получения чистой возобновляемой энергии, однако все еще не получили повсеместного распространения из-за своей дороговизны.

Добавить комментарий

teploclass.ru

Как работает солнечная батарея: принцип действия фотоэлемента

как работает солнечная батареяВ последние годы так называемая «альтернативная энергетика» пользуется все большей популярностью. Особое же внимание уделяется использованию излучения солнца. Это вполне закономерно, ведь если создать элемент, который способен преобразовать световые лучи в электричество, можно получить бесплатный неиссякаемый энергоисточник. И такой элемент был создан. Он был назван «солнечным фотоэлементом» или «солнечной батареей», причем как работает солнечная батарея, разобраться довольно просто.

Принцип действия

Главное – не путать фотобатареи с солнечными коллекторами (и те, и другие часто именуют «солнечными панелями»). Если принцип действия коллекторов основан на нагревании теплоносителя, то фотоячейки производят непосредственно электричество. В основе их работы – фотоэлектрический эффект, заключающийся в генерации тока под воздействием солнечных лучей в полупроводниковых материалах.

Полупроводниками же называют вещества, атомы которых либо содержат избыточное количество электронов (n-тип), либо наоборот, испытывают их недостаток (p-тип). А те области структуры p-элементов, где потенциально могли бы находиться электроны, получили название «дырок». Соответственно, фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разными типами проводимости.

Как работают солнечные батареи с такой структурой? Следующим образом. Внутренний слой элемента выполняется из p-полупроводника, внешний, гораздо более тонкий, - из n-полупроводника. На границе слоев возникает так называемая «зона p-n перехода», образовавшаяся за счет формирования объемных положительных зарядов в n-слое и отрицательных – в p-слое.

При этом в зоне перехода возникает определенный энергетический барьер, вызванный разностью потенциалов зарядов. Он препятствует проникновению основных носителей электрозаряда, но свободно пропускает неосновные, причем в противоположных направлениях. Под действием же солнечного света часть фотонов поглощается поверхностью элемента и генерирует дополнительные «дырочно-электронные» пары. То есть электроны и дырки перемещаются из одного полупроводника в другой, передавая им дополнительный отрицательный или положительный заряд. При этом первоначальная разность потенциалов между n- и p-слоем снижается, а во внешней цепи генерируется электроток.

Особенности структуры

Многие современные фотоячейки имеют только один p-n переход. При этом свободно переходящие носители заряда генерируются лишь теми фотонами, энергия которых либо больше, либо равна ширине «запрещенной зоны» на границе перехода. Это означает, что фотоны с более малым запасом энергии попросту не используются, что в свою очередь заметно снижает эффективность ячейки. Для преодоления этого ограничения были созданы многослойные (чаще – четырехслойные) фотоструктуры.

Они позволяют использовать значительно большую часть солнечного спектра и обладают более высокой производительностью. Причем располагают фотоэлементы таким образом, чтобы лучи попадали сначала на переход с самой широкой запрещенной зоной. При этом поглощаются более «энергоемкие» фотоны, фотоны же с меньшим запасом энергии проходят глубже и стимулируют остальные элементы.

А какие бывают солнечные батареи?

Солнечные элементы, принцип работы которых основан на фотоэффекте, создаются уже давно. Главная трудность при их производстве заключается в подборе материалов, способных генерировать достаточно мощный ток. Первые опыты проводились с селеновыми ячейками, но их эффективность была крайне мала (около 1%). Сейчас в фотоэлементах используется в основном кремний, производительность таких устройств составляет порядка 22%. Кроме того, постоянно разрабатываются новые образцы ячеек (например, с использованием арсенида галлия или индия), имеющих более высокий КПД. Максимальная же эффективность солнечных батарей на сегодняшний день составляет 44,7%.

Но такие элементы очень дороги и пока что производятся только в лабораторных условиях. Широкое же распространение получили ячейки на базе монокристаллического или поликристаллического кремния, а также тонкопленочные элементы. Фотобатареи на монокристаллах стоят дороже, но имеют большую производительность, поликристаллы же более дешевы, но из-за неоднородной структуры менее эффективны. При производстве же тонкопленочных ячеек применяются не кристаллы, а напыленные на гибкую подложку кремниевые слои.

solarb.ru

Как работает солнечная батарея?

kak-rabotaet-solnechnaya-batareya-qwesa.ru-00 

 Затраты на электроэнергию все больше и больше. Но вы можете иметь ее совершенно бесплатно — с помощью света. Купите солнечную батарею. Посмотрим, какие бывают панели — монокристаллические, поликристаллические или аморфные. Из этих панелей состоит солнечная батарея.

 Как работают солнечные панели? 

 Фотоэлементы создают так называемый р-п переход (положительный-отрицательный) и ловушки-фотонов проводят ток между положительным и отрицательным напряжением. Типичный фотоэлектрический элемент кремния размером около 10х10 см создает номинальное напряжение около 0,5 В и мощность до 2 Вт. Фотоэлектрические элементы объединяются в серии, чтобы создать батарею. Комбинация из нескольких десятков или сотен клеток дает нам модуль (панель), где, как правило, напряжение на выходе 12 В и мощность модуля до 80 Вт. Соединение нескольких панелей дает нам напряжение 24 В, и даже больше, а их мощность может превышать 200 Вт.

kak-rabotaet-solnechnaya-batareya-qwesa.ru-01

 Строительство солнечной батареи

 Панели могут быть монокристаллические, поликристаллические или аморфные. Монокристаллические панели имеют самую высокую эффективность -15% и даже выше. Они состоят из клеток, каждая из которых образуется из однородного кристалла кремния, который разрезают соответствующего размера. Поликристаллические панели состоят из множества мелких кристаллов. Они несколько менее эффективны, чем монокристаллы, эффективность их 10-14%, но они менее дорогие в изготовлении. По этой причине, они более популярны. Панели еще могут иметь очень тонкий слой аморфного кремния, который охватывает другой материал (например, стекло), так что они будут еще дешевле. Такие панели используются в небольших устройствах (часы, калькуляторы). Их эффективность до половины меньше монокристалла.

kak-rabotaet-solnechnaya-batareya-qwesa.ru-03

www.qwesa.ru

Как работает солнечная батарея?

Сегодня у всех на слуху понятие альтернативной энергетики. Уже ни для кого не секрет, что запасы нефти, газа и других видов топлива на Земле не безграничны, поэтому ученые и инженеры продолжают искать возможности эффективного применения возобновляемых ресурсов для получения столь необходимого всем электричества. В последние годы солнечные элементы перестали быть экзотикой, используемой только в космических аппаратах, они получили широкое распространение для электроснабжения зданий, автомобилей, автономного питания мелкой бытовой техники и электроники. Поскольку Солнце – огромный источник энергии, который доступен каждому, полезно знать, как преобразовать свет в электричество или как работает солнечная батарея.

  • Принцип работы солнечной батареи
  • Преобразование энергии, полученной с помощью солнечных батарей

Принцип работы солнечной батареи

Это устройство, называемое также солнечной панелью, состоит из совокупности соединенных определенным способом фотоэлектрических преобразователей, в состав которых входят два слоя полупроводников с различными типами проводимости – p и n. В качестве вещества, обладающего такими свойствами, чаще всего используется кремний с определенными примесями. При добавлении к нему фосфора в полученной структуре возникает избыток электронов (отрицательных зарядов) и образуется полупроводник n-типа, а при подмешивании бора – p-типа, характеризуемый недостатком электронов или наличием дырок. Если разместить эти слои между двумя электродами так, как показано на картинке, и обеспечить к верхнему доступ света, получится фотоэлектрический преобразователь.

При освещении элемента им поглощается часть падающей энергии, в результате чего происходит дополнительная генерация дырок и электронов. Электрическим полем, существующим в p-n переходе, первые перемещаются в p-область, а вторые – в n-область. При этом на нижнем электроде скапливаются положительные заряды, на верхнем – отрицательные, то есть возникает разность потенциалов – постоянное напряжение U. Таким образом, фотоэлектрический преобразователь работает как источник электродвижущей силы (ЭДС) – небольшая батарейка. Если к ней подсоединить нагрузку, в цепи возникнет ток I, значение которого будет зависеть от вида фотоэлемента, его размеров, интенсивности солнечного излучения и сопротивления подключенных потребителей. ЭДС батареи снижается с повышением температуры приблизительно на 0,4%/°С. Поэтому для эффективной и долговременной работы панель необходимо охлаждать с помощью вентиляторов или водяных систем.

Важнейшим параметром солнечного источника энергии является мощность P=UI. Естественно, что ток и напряжение, получаемые в результате работы одного фотоэлемента, невелики, поэтому в батарее они комбинируются определенным образом для увеличения указанных показателей. Если соединить преобразователи последовательно, то общее выходное напряжение будет пропорционально их количеству. Параллельное подключение отдельных элементов приводит к увеличению тока. Сочетая определенным образом оба типа соединений так, как показано на картинке, получают требуемые выходные параметры батареи, а следовательно, и ее мощность.

При освещении батареи не вся энергия солнечного излучения преобразуется в электричество – часть ее отражается, а также тратится на нагрев элементов. Большинство выпускаемых промышленностью фотоэлектрических панелей имеют эффективность 9-24%. Также важно знать, как работает солнечная батарея в условиях, когда некоторые из элементов затемнены. В данном случае преобразователи, на которые не попадает солнечный свет, будут превращаться в потребителей энергии и нагреваться. Поэтому группы фотоэлементов шунтируются низкоомными диодами, препятствующими прохождению тока через затемненные компоненты батареи. Панель при этом будет функционировать с меньшей мощностью.

к содержанию ↑

Преобразование энергии, полученной с помощью солнечных батарей

Фотоэлектрические элементы вырабатывают постоянное напряжение, но многие виды аппаратуры питаются переменным, что требует наличия соответствующих преобразователей. Кроме того, солнечные батареи производят электричество днем, а его потребление происходит круглосуточно, следовательно, необходимы дополнительные компоненты, которые будут запасать и распределять энергию. Рассмотрим пример системы электроснабжения здания с использованием солнечных источников – небольшой гелиоэлектростанции, структура которой представлена на картинке.

Эта схема может функционировать в зданиях, где присутствует электросеть, а солнечная батарея используется для экономии потребления энергии из нее, а также в качестве резервного источника при отключении основного. Общий принцип работы системы такой: постоянное напряжение, вырабатываемое фотоэлектрическими преобразователями, поступает на инвертор, преобразующий его в переменное, и на аккумуляторы, которые, заряжаясь под управлением специального контроллера, накапливают энергию.

В данном случае приборы в доме подразделяются на резервируемые – те, для которых отключение электричества может привести к нежелательным последствиям (холодильник, системы видеонаблюдения, сигнализации), и нерезервируемые – все остальные. При отключении сети инвертор питает резервируемые устройства от солнечной батареи, а если энергии от нее недостаточно, то от аккумуляторов. Когда сеть подключена, электричество, вырабатываемое панелью, в первую очередь поступает на их зарядку. А когда в этом уже нет необходимости, инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное, от которого питается нагрузка. Тем самым экономится потребление из основного источника.

Солнечные батареи могут использоваться без рассмотренной дополнительной аппаратуры для питания или зарядки портативной электронной техники, работающей от постоянного напряжения, например, калькуляторов, плееров, фонариков, мобильных устройств.

Помимо электричества, из энергии света можно непосредственно получать тепло. Для этого применяются солнечные коллекторы. Учитывая, что сегодня прослеживаются тенденции снижения стоимости фотоэлектрических преобразователей и повышения их эффективности, в целом гелиоэнергетика – перспективное направление, позволяющее бесшумным и экологически чистым способом получать бесплатное электричество, а также тепло для отопления и горячего водоснабжения.

thedifference.ru

Архивы Как? - Всё о солнечных батареях и энергии солнца

Коэффициент полезного действия такого типа коллекторов, при обеспечении высокой степени вакуума, составит около 98%. Как правило, установка солнечных вакуумных коллекторов производится на крыше объекта, что позволяет максимально полезно использовать ее площадь. Угол монтажа коллектора выбирается производно в диапазоне от 5 до 90 градусов. Минимальные значения угла наклона солнечного коллектора позволяют обеспечить циркуляцию теплоносителя. Срок использования вакуумных солнечных батарей достаточно высок и составляет более 20 лет. Вариантов у потребителя несколько: можно вакуумный солнечный коллектор купить либо изготовить своими руками. Цена вакуумных солнечных батарей вполне доступна, таким образом использование таких систем весьма целесообразно.

Конструкция и принцип работы вакуумного солнечного коллектора

Предназначение плоского вакуумного солнечного коллектора заключается в обеспечении аккумулирования солнечной энергии при любых погодных условиях и температуре окружающей среды.

Содержание:

  1. Как работает солнечный вакуумный коллектор
  2. Конструкция солнечного вакуумного коллектора
  3. Виды гелиосистем

Как работает коллектор?

  • Одним из важнейших элементов конструкции является автоматизированный резервуар-теплообменник, способный преобразовывать, поддерживать и сохранять тепло, полученное при накоплении солнечной энергии, а также и от дополнительных источников энергии, которые используются для подстраховки работоспособности системы отопления в целом.
  • Вода, нагретая до определенной температуры, из теплообменника, расположенного во внутреннем блоке, подается в радиаторы, использующиеся для системы отопления, при этом вода, находящаяся в резервуаре, поступает в бак для поддержания ГВС.
  • Для контроля значений рабочей температуры блоков и выбора требуемого режима работы системы установлен блок управления. Он отвечает за поток энергии теплового носителя через теплообменник и определяет куда именно стоит направить тепло: на водоснабжение либо отопление.
  • В ночное время суток автоматика поддерживает минимальные параметры работы системы и поддерживает значения установленной температуры.
  • Основное преимущество использования вакуумных солнечных коллекторов для отопления дома — это их малая инерционность. При этом их использование позволяет обеспечивать горячее водоснабжение в течение года и отопление в холодный период, позволяющее экономить традиционно использующиеся источники получения тепловой энергии.

Схема и конструкция солнечного коллектора

вакуумный солнечный коллектор - схема и принцип работывакуумный солнечный коллектор — схема и принцип работы

Основные блоки вакуумного коллектора: непосредственно вакуумный коллектор, резервуар-теплообменник и системный контроллер солнечных систем нагрева воды. Конструктивно вакуумный коллектор выполнен в виде трубчатых профилей, соединенных параллельными рядами. Как правило используются трубы конструкции ”стекло-стекло”, произведенные из боросиликатного стекла. Для покрытия внутренней трубы используется селективный слой, предназначенный для абсорбции солнечной энергии и устранения тепловых потерь. Функциональность таких труб позволяет их использовать при пасмурной погоде. При отрицательных температурах происходит преобразование в тепло как прямых, так и рассеянных солнечных лучей. Также для образования тепла используется природное ИК-излучение. Конструкция вакуумной трубы реализована по принципу термоса: она изготовлена из двух трубок различного диаметра, между которыми поддерживается вакуум. Вакуум обладает фактически нулевой теплопроводностью и обеспечивает высокий уровень термоизоляции.

  • Вакуумные трубы во всесезонных системах имеют дополнительные термотрубки или тепловые трубки. Они представляются собой медные трубки, наполненные жидкостью с низкой температурой кипения. При непосредственном воздействием тепла происходит испарение жидкости. При этом забирается тепло самой трубки. Далее пар поднимается в расположенный выше наконечник, где происходит его конденсация и передача тепла тепловому носителю в основном контуре либо специальной жидкости, находящейся в отопительном контуре. Далее конденсат по стенкам стекает вниз и процесс возобновляется.
как работает солнечный коллекторкак работает солнечный коллектор
  • Приемник коллектора как правило изготавливается из меди. При этом чаще всего применяется дополнительная полиуретановая изоляция. Приемник закрыт истом нержавеющего покрытия для дополнительной защиты. Передача тепла осуществляется посредством медной «гильзы» приемника. Отопительный контур отделяется от блока трубок, что позволяет поддерживать работу системы при поломке одной или нескольких трубок. Замена поврежденных трубок производится без слива используемой жидкости из рабочего контура.
  • Резервуар-теплообменник выполняет функции бойлера и используется для аккумулирования и сохранения тепла. Резервуар, как правило, имеет внутри конструкции одну либо две спирали для теплообмена.
  • Типичная конструкция системы как правило включает насос, манометр и клапан давления, кран для регулирования количества воды, различные соединительные механизмы и вентили, в том числе набор, обеспечивающий безопасное подсоединение резервуара к отопительной системе, вентиль безопасности давления в 6 атм. Бак дополнительно может быть оснащен электрическим нагревателем мощностью 1-3 кВт.
  • Если требуется обеспечить единовременную подачу горячего водоснабжения и отопления, происходит распределение аккумулированной солнечной энергии. Когда заданное значение температуры достигается, подача тепла автоматически переводится на контур отопления. Настройки перераспределения тепла могут быть изменены в зависимости от времени года либо климатической зоны. К данной системе отопления могут быть подсоединены дополнительные отопительные приборы.
  • Контроллер водонагревательных систем используется для задания значений температуры в резервуаре теплообменника и коллекторе, а также определения требуемого режима работы вакуумного солнечного коллектора согласно полученным данным.
  • Основные функции контроллера заключаются в следующем: индикация температуры в основных блоках: коллекторе, резервуаре, индикация значения температуры в обратном потоке теплоносителя, задание температуры запуска, при которой используется принудительная циркуляция в теплоносителе, таймер пуска и остановки всей системы отопления, определение температуры и продолжительности работы функции дополнительного подогрева, задание минимального значения температуры, индикация датчиков, имеющих повреждения.

Типы гелиосистем

Выделяют два основных типа гелиосистем: сезонные, всесезонные или круглогодичные.

Вакуумные солнечные батареи, сконструированные на базе технологии прямой теплопередачи, относятся к сезонным системам. Принцип действия таких систем достаточно прост: вода из бака поступает в соединенные медные трубки, где нагревается и затем возвращается в контур.

Тепло в таком типе солнечных батарей передается воде без использования в работе дополнительных элементов и блоков. При этом требуется большой объем воды в контуре теплообменника (от 60 до 200 л). Основными преимуществами сезонных систем являются низкая стоимость при высоком КПД, составляющий до 98%. Это конечно при условии использования и покупки селективного покрытия для солнечных коллекторов.

К круглогодичным системам относят вакуумные солнечные батареи, в которых дополнительно установлены термотрубки. Принцип работы таких коллекторов схож с работой установок центрального отопления. Через коллектор и змеевик протекает специальная жидкость («незамерзайка»). Эта жидкость предназначена для забора тепла из медных трубок. Далее она поступает в бак, аккумулирующий тепло для непосредственного нагрева воды через змеевик. Процесс протекает до тех пор, пока значения температуры бака и теплового приемника не сравняются. Насос контролируется электроникой, датчики температуры при этом устанавливаются как в коллекторе, так и в баке-аккумуляторе. Давление в системе может быть выше требуемых значений при недостатке потребления воды. Расширительный бак также позволяет избежать подобных ситуаций.

Области применения гелиосистем многогранны и включают: обеспечение жилых помещений, социальных и культурных объектов горячим водоснабжением и отоплением. При этом экономия ресурсов достигает 50%. Используются в сочетании с «теплыми полами». Если вам требуется обеспечить ваш дом теплом, то вы можете купить вакуумный солнечный коллектор, либо сделать его своими руками. Стоимость вакуумных коллекторов для отопления дома достаточна высока, но продуктивность и энергоемкость таких систем компенсирует материальные издержки. При этом следует учитывать, что надежность коллектора, собранного и установленного профессионалами выше, чем у самодельного.

www.solnpanels.com