Принцип работы Солнечных батарей (панелей) и их Виды


Преобразование солнечной энергии в электрическую и тепловую энергию происходит за счет солнечных панелей и коллекторов. Получение электроэнергии с помощью солнечных панелей не несет вредную нагрузку на окружающую среду, а само оборудование солнечных электростанций обходится без дорогостоящего обслуживания.

 

Солнечная батарея (панель) является источником электрического тока, который генерируется при воздействии солнечного излучения на фотоэлектрические преобразователи. В состав солнечных панелей не входят движущие части, поэтому они обладают высокой надежностью. Кроме этого во время практически неограниченного срока службы солнечных панелей отсутствуют какие-то крупные поломки, а их обслуживание заключается в удалении пыли с зеркал фотоэлементов. Солнечные панели имеют низкий коэффициент полезного действия, но за счет модульного типа конструкций можно построить установки на различное напряжение и любую мощность, а применение современных аккумуляторов позволяет накапливать производимую электроэнергию, которая потом расходуется в ночное время суток или в ненастную погоду.

 

Области применения:

- частные дома;

- офисные и административные здания, учебные заведения, спортивные сооружения;

- промышленные предприятия;

- агропромышленный комплекс;

- малонаселенные жилые районы;

- мобильные потребители электроэнергии (мобильные госпитали, мобильные комплексы поисково-спасательных формирований, научные экспедиции, войсковые части при расположении в полевых условиях, пограничные заставы, кордоны егерей в заповедниках и др.);

- транспорт.

 

Существует несколько видов солнечные панелей: монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные.

солнечная панель из монокристаллического кремния
солнечная панель из поликристаллического кремния
солнечная панель из тонкопленочного кремния

Самыми популярными являются панели на основании монокристаллического кремния. Структура таких панелей состоит из множества кремниевых ячеек, которые преобразуют солнечный свет в электричество. Достоинствами данных панелей являются хорошая компактность и малый вес, кроме этого панели на основе монокристаллов имеют небольшую гибкость, что позволяет их устанавливать на кривых поверхностях и достигать необходимого угла наклона. Монокристаллические панели помещены в надежный и крепкий стеклопластиковый корпус, который защищает фотоэлемент от проникновения влаги и пыли. Монокристаллические батареи будут отличным решением для электропитания различных поливных насосов, питания средств телекоммуникационной связи и сигнализации, а также освещения дачных участков.

 

Солнечные панели из поликристаллического кремния, который имеет ярко синий цвет, отличаются более низкой стоимостью по сравнению с панелями из монокристаллов. Это обусловлено более дешевым производственным процессом и структура таких солнечных панелей состоит из неупорядоченных кристаллов кремния, то есть они имеют различную форму и ориентацию. Коэффициент полезного действия солнечных панелей из поликристаллического кремния имеет меньшее значение, чем КПД монокристаллов, и стабильность работы таких батарей ниже. Из-за низкой стоимости поликристаллические панели нашли обширное применение в различных областях. Их используют для освещения жилых домов и административных зданий: офисные помещения, школы, больницы и тепличные комплексы. Кроме этого их используют в освещении автобанов и улиц, дворов, садов и парков. Преобразованная солнечная энергия поликристаллическими панелями отлично питает также нефтепроводы и газопроводы, снабжает электричеством медицинское и телекоммуникационное оборудование.

 

Тонкопленочные панели используются в основном для промышленного назначения, потому что для достижения необходимой мощности нужно большую площадь попадания солнечных лучей, чем при использовании моно- и поликристаллических панелей.

 

Принцип работы любых солнечных батарей такой: в качестве основного материала фотоэлектрического элемента служит кремний с примесями некоторых элементов, которые образуют кристалл с p-n-переходом. Таким образом, создается два слоя с различной проводимостью. На границе данных слоев образуется потенциальный барьер, который препятствует перемещению носителей электрического тока по всему полупроводнику. При попадании солнечного излучения на фотоэлемент, за счет поглощения фотонов создаются пары отрицательного и положительного заряда, понижающие потенциальный барьер, что приводит к свободному перемещению носителей по полупроводнику, в котором за счет этого наводится электродвижущая сила, являющаяся источником электрического тока. При увеличении светового потока увеличивается и фото ЭДС, следовательно, увеличивается и электрический ток.

 

Эффективность фотоэлементов из кремния по сравнению с другими материалами относительно высокая. КПД кремниевых пластин колеблется от 10 до 20%. От эффективности фотоэлементов зависит площадь солнечных батарей, рассчитанные на определенную нагрузку. Чем выше коэффициент полезного действия, тем меньше площадь, необходимая для генерирования электрического тока определенной мощности. Развитие полупроводниковой промышленности позволяет выпускать фотоэлектрические элементы на основе кремния с эффективностью до 40%.

 

В солнечной системе электроснабжения кроме солнечных батарей можно выделить такие основные устройства: аккумулятор, контроллер заряда и инвертор. Благодаря аккумулятору при отсутствии солнечного излучения потребитель может пользоваться электричеством. Контроллер заряда предохраняет аккумулятор от излишней зарядки и разрядки. То есть при достижении напряжения на аккумуляторе уровня напряжения отключения контроллер автоматически отключает нагрузку, а при максимальном уровне напряжения контроллер ограничивает ток зарядки. Инвертор служит для преобразования постоянного тока в переменный, который необходим для питания основной бытовой техники и освещения.

 

Для определения количества солнечных панелей, входящих в солнечную батарею, которых будет достаточно для обеспечения электричеством требуемой мощности, нужно провести расчет солнечной системы электроснабжения. Данный расчет начинается с определения суммарной мощности всех подключенных устройств, после чего определяется мощность инвертора и значение зарядной емкости аккумуляторов. Мощность и количество фотоэлементов определяется на основании, действующей в определенном регионе, значения солнечной радиации. Определив количество пиковых часов в сутки, когда уровень солнечной радиации не ниже 1000 Вт/м2, определяют вырабатываемую мощность одним фотоэлементом за данный период. Таким образом, зная необходимую суммарную мощность солнечной станции и мощность одного фотоэлемента, определяют количество солнечных панелей, входящих в батарею. Выше описан упрощенный принцип расчета солнечных батарей, в действительности необходимо учесть множество нюансов и влияющих факторов при расчете солнечной системы электроснабжения.

значения солнечной радиации на территории России