Солнечные батареи. виды и устройство. работа и применение

Сколько стоит солнечная батарея

Продажа солнечных батарей – дело выгодное и перспективное. Объем продаж увеличивается ежегодно. На первом месте по продажам – китайские производители, продукция которым отличается низкой стоимостью. Такая ситуация привела к банкротству крупных немецких брендов, стоят которые вдвое дороже китайских солнечных батарей.

Стоимость солнечных батарей зависит от производителя и мощности, и имеет огромный разброс – от 1800 грн. до 9000 грн. (для Украины), от 5 тыс. рублей до 30 тысяч (для России). Стоимость этих батарей SunCharger SC- 9/14 и SunCharger SC-34/18 тоже высокая (надо же платить за отличные характеристики). Она составляет соответственно 6100 и 20700 рублей. Но, в сравнении с гибкой батареей фирмы AcmePower 32 Вт, цена за которую равна 27 тысяч рублей, эта батарея гораздо дешевле.

Солнечная батарея SunCharger SC- 9/14

Солнечная батарея SunCharger SC-34/18

Мощность и количество

Определить, какое количество солнечных панелей необходимо, следует по средней и максимальной мощности потребления. Среднюю легко найти в счетах за электроэнергию – месячное потребление делится на количество дней в месяце. Максимальное находится суммированием мощностей всех имеющихся в доме электроприборов.

Кроме мощности потребителей необходимо учесть:

Время работы солнечных батарей. Как правило, принимается равным 6 часам, соответственно, мощность генерации нужно кратно увеличить.
Потери на преобразование при зарядке аккумуляторов и получении переменного напряжения на инверторе. С их учетом необходим запас по мощности не менее 30%.
Пиковые токи. Например, при средней мощности стиральной машины 500 Вт при работе нагревателя может потребляться до 2 кВт. При пуске насосов или других двигателей, пусковые токи могут превосходить номинальные значения в 5-6 раз. Конечно, львиную долю примут на себя аккумуляторы, но запас модулей по току в 20-30% не помешает.
Географию и погодные условия местности – коэффициент инсоляции. Найти его для зимнего и летнего времени можно в справочниках.

После расчета необходимой мощности генерации рассчитывается мощность, отдаваемая одной батареей:

P = Kc * Wn * Ki

Где:

Кс – стандартный сезонный коэффициент, 0.5 для лета и 0.7 для зимы.
Wn – мощность панели, заявленная производителем.
Ki – коэффициент инсоляции, также берется для лета и зимы.

Рассчитанную необходимую мощность генерации делят на оба (летнее и зимнее) значения. Наибольшее из двух чисел будет минимальным количеством панелей, которые потребуются для электроснабжения дома.

Мнение эксперта
Торсунов Павел Максимович

Окончательно принимают ближайшее число кратное 2 для системы с выходным напряжением 24 В, 4 – для 36 В, 4 – для 48 В.

Этапы подключения панелей к оборудованию СЭС

Подключение солнечных панелей представляет собой поэтапный процесс, который может быть выполнен в разном порядке. Обычно производят соединение модулей между собой, затем собирают комплект оборудования и аккумуляторы, после чего панели подключают к приборам. Это удобный и безопасный вариант, позволяющий проверить правильность соединения всех элементов перед подачей напряжения. Рассмотрим эти этапы внимательнее:

К аккумулятору

Разберемся, как подключить солнечную батарею к аккумулятору.

Поэтому между фотоэлектрическими элементами и батареями обязательно устанавливают контроллер, обеспечивающий штатный режим зарядки и отдачи энергии. Кроме того, на выходе контроллера обычно устанавливают инвертор, чтобы иметь возможность преобразования накопленной энергии в стандартное напряжение 220 В 50 Гц. Это наиболее удачная и эффективная схема, которая позволяет батареям отдавать или получать заряд в оптимальном режиме и не превышать свои возможности.

Перед тем, как подключить солнечную панель к аккумулятору, необходимо проверить параметры всех компонентов системы и убедиться в их соответствии. В противном случае результатом может стать потеря одного или нескольких приборов.

Иногда используется упрощенная схема подключения модулей без контроллера. Этот вариант применяется в условиях, когда ток от панелей заведомо не сможет создать перезаряд аккумуляторов. Обычно такой способ применяют:

в регионах с коротким световым днем
низким положением солнца над горизонтом
маломощными солнечными панелями, не способными обеспечить избыточный заряд АКБ

При использовании этого метода необходимо обезопасить комплекс, установив защитный диод. Он ставится как можно ближе к аккумуляторам и защищает их от короткого замыкания. Панелям оно не страшно, но для АКБ это весьма опасно. Кроме того, при расплавлении проводов сможет начаться пожар, что создает опасность для всего дома и людей. Поэтому обеспечить надежную защиту — первоочередная задача владельца, решение которой должно быть выполнено до ввода комплекта в эксплуатацию.

К контроллеру

Второй способ часто используется владельцами частных или загородных домов для создания низковольтной осветительной сети. Они приобретают недорогой контроллер и подключают к нему солнечные панели. Устройство компактное, по размерам соотносимо с книгой средних размеров. Оно оснащено тремя парами контактов на лицевой панели. К первой паре контактов подключают солнечные модули, к другой — присоединяют АКБ, а к третей — освещение или другие низковольтные приборы потребления.

Сначала на первую пару клемм подают напряжение 12 или 24 В от аккумуляторов. Это проверочный этап, он нужен для определения работоспособности контроллера. Если прибор верно определил величину заряда батарей, приступают к подключению.

К третьей паре контактов присоединяют низковольтные светильники или иные приборы потребления, питающиеся от 12 (24) В постоянного тока. Больше ни с чем соединять такой комплект нельзя. Если необходимо обеспечить питанием бытовую технику, надо собирать полнофункциональный комплект оборудования — частную СЭС.

К инвертору

Рассмотрим, как подключить солнечную панель к инвертору.

Сам процесс никакой сложности не составляет. В комплекте с инвертором идут два провода, обычно черного и красного цвета («-» и «+»). На одном конце каждого провода есть специальный штекер, на другом — зажим типа «крокодил» для присоединения к клеммам аккумулятора. Провода согласно цветовой индикации присоединяют к инвертору, затем подключают к аккумулятору.

Принцип действия

Принцип работы автомобиля на солнечных батареях основан на преобразовании солнечной энергии в электрическую, которая является источником питания электрического двигателя на солнечных батареях, устанавливаемого на автомобиле.

Принцип преобразования энергии солнца в электрическую энергию основан на «p-n проводимости», создаваемой в элементах солнечной батареи, изготавливаемой из двух слоев кремния, с добавлением различных веществ.

Процесс образования электрического тока приведен на ниже приведенной схеме:

В верхний слой, при его изготовлении, добавляется фосфор, это «n» слой, а в нижний – бор, это «р» слой. На границе слоев образуется «р-n переход», который определяет «р-n проводимость» фотоэлемента, из определенного количества которых, состоит солнечная батарея.
Под воздействием солнечных лучей, в верхнем слое, образуется дополнительное количество отрицательно заряженных электронов, а в нижнем – положительно заряженных («дырок»). Наличие дополнительного количества разно заряженных частиц создает электрическое поле между слоями, образуется разность потенциалов. В этом случае, при наличии нагрузки между электродами, присоединенными к верхнему и нижнему слоям, в цепи протекает электрический ток, при этом отрицательно заряженные частицы движутся вверх, а положительно заряженные – вниз.

Если в качестве нагрузки подключить электрический двигатель, с установкой дополнительных электронных устройств, обеспечивающих нормальный режим работы в различных режимах эксплуатации и определенного количества аккумуляторов, отвечающих за запас электрической мощности, то подобная схема, может служить приводом для механической передачи, в том числе и для передвижения автомобиля.

Принцип работы солнечной электростанции в домашних условиях

Солнечная электростанция – это система состоящая из панелей, инвертора, аккумулятора и контроллера. Солнечная панель трансформирует лучистую энергию в электричество (как было сказано выше). Постоянный ток попадает в контроллер, который распределяет ток по потребителям (например, компьютер или освещение). Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный и обеспечивает работу большинства электрических бытовых приборов. В аккумуляторе накапливается энергия, которая можно расходовать в темное время суток.

Видео описание

Наглядный пример расчетов, показывающий, сколько панелей нужно для обеспечения автономного энергоснабжения, смотрите в этом видеоролике:

Как солнечная энергия используется для получения тепла

Гелиосистемы применяются для нагревания воды и отопления жилища. Они могут давать тепло (по желанию владельца) даже тогда, когда отопительный сезон закончится, и обеспечивать дом горячей водой бесплатно. Простейшее устройство представляет собой металлические панели, которые устанавливают на крыше дома. Они аккумулируют энергию и согревают воду, которая циркулирует по скрытым под ними трубам. Функционирование всех гелиосистем основано на этом принципе, несмотря на то, что конструктивно они могут отличаться друг от друга.

Солнечные коллекторы состоят из:

бака-аккумулятора;
насосной станции;
контроллера;
трубопроводы;
фиттингов.

По типу конструкции различают плоские и вакуумные коллекторы. У первых дно покрыто теплоизоляционным материалом, а жидкость циркулирует по стеклянным трубам. Вакуумные коллекторы отличаются большой эффективностью, потому что теплопотери в них сведены к минимуму. Этот тип коллектора обеспечивает не только отопление солнечными батареями частного дома – его удобно использовать для систем горячего водоснабжения и подогрева бассейнов.

Принцип действия солнечного коллектораИсточник 21ek.ru

Этапы монтажа батарей

Для установки панелей выбирается самое освещенное место – чаще всего это крыши и стены зданий. Чтобы устройство функционировало максимально эффективно, панели монтируются под определенным углом к горизонту. Учитывается также уровень затемненности территории: окружающие предметы, которые могут создавать тень (постройки, деревья и т. п.)
Устанавливаются панели при помощи специальных крепежных систем.
Затем модули соединяются с аккумулятором, контроллером и инвертором, и производится наладка всей системы.

Для монтажа системы всегда разрабатывается персональный проект, который учитывает все особенности ситуации: как будет выполняться установка солнечных батарей на крыше дома, цена и сроки. В зависимости от вида и объема работ, все проекты рассчитываются в индивидуальном порядке. Клиент принимает работу и получает на нее гарантию.

Установка солнечных батарей должна производиться профессионалами и с соблюдением мер безопасностиИсточник pinterest.ca

Как итог – перспективы развития солнечных технологий

Если на Земле максимально эффективной работе солнечных батарей мешает воздух, который в известной мере рассеивает излучение Солнца, то в космосе такой проблемы не существует. Учеными ведется разработка проектов гигантских орбитальных спутников с солнечными батареями, которые будут работать 24 часа в сутки. От них энергия будет передаваться на наземные приемные устройства. Но это дело будущего, а для уже существующих батарей усилия направлены на повышение энергоэффективности и уменьшение размеров устройств.

Портативная солнечная батарея – специально для туристов

У каждого в наше время есть электронные гаджеты. Не суть, что у кого-то их меньше, а кого-то больше. Все их необходимо заряжать, а для этого нужны зарядные устройства. Но, особенно остро этот вопрос касается тех, кто попадает в места, где отсутствует электропитание. Единственным выходов являются солнечные батареи. Но, цены на них остаются высокими, а выбор — небольшим. Оптимальным вариантом, как принято считать, является продукция компании Goal Zero (хотя есть и российская продукция, и китайская – как всегда вызывающая сомнении).

Но, оказалось, что не все то плохо, что сделано в Китае или Корее. Особенно порадовала солнечная батарея компания YOLK из Чикаго, которая начала производство компактной солнечной батареи Solar Paper – самой тонкой и легкой. Ее вес всего 120 граммов. Но есть и другие преимущества – модульная конструкция, позволяющая наращивать мощность. Солнечная батарея похожа на пластиковую коробку, по размерам напоминающую Ipad, только тоньше в два раза. На ее лицевой стороне размещена солнечная панель. Есть на корпусе выход для ноутбука и порты USB и для подключения других солнечных панелей, а также фонарик. Внутри этой чудо коробки – аккумуляторы и плата управления. Зарядить девайс можно от розетки, причем, одновременно это могут быть телефон и два ноутбука. Конечно, заряжается устройство и от солнца. Как только на него попадает свет, загорается индикатор. В походных условиях солнечная панель просто незаменима: с успехом заряжает все нужные устройства – телефоны быстрее, ноутбуки.

Портативные солнечные батареи отличаются компактными размерами: они выпускаются даже в виде брелков, прикрепить которые можно к чему угодно. Разрабатывались они для того, чтобы можно было их взять на рыбалку, в поход и пр. Обязательно у них имеется фонарик, чтобы ночью можно было осветить дорогу, палатку и т.д., крепления, позволяющие легко их разместить на рюкзаках, байдарках, палатках

Очень важно, чтобы в таком устройстве был встроенный аккумулятор, позволяющий заряжать девайсы и в ночное время

Разновидности солнечных батарей

Все солнечные панели могут быть кремниевыми или пленочными. Панели, основой для которых служит кремний, разделяются на типы:

поликристаллические;
монокристаллические;
аморфные.

Поликристаллическая солнечна батарея представляет собой квадратное устройство темно-синего цвета. Ее поверхность имеет вкрапления неоднородных кристаллов кремния. Несмотря на низкий КПД 18%, данное устройство обладает возможностью вырабатывать ток во время пасмурной погоды, что делает их незаменимыми в местностях, где преобладает рассеянный солнечный свет.

Монокристаллические преобразователи солнечной энергии представлены черными панелями со скошенными углами, для которых используется чистый кремний. Все ячейки устройства направлены в одну сторону, что позволяет получить максимальный КПД 25%. Недостатком таких батарей является то, что их лицевая сторона всегда должна быть обращена к солнцу. Если оно не успело взойти, спряталось за тучами и опустилось за горизонт, солнечные панели будут производить ток слабой мощности. Это самый дорогостоящий, но и обеспечивающий максимальную производительность, тип устройства.

Гибкая солнечная панель удобна в работе — ее легко можно прикрепить на неровные участки крыши

Каждая аморфная батарея состоит из множества тончайших слоев кремния, которые получаются путем напыления мельчайших частиц материала на стекло, пластмассу или фольгу. Такие слои достаточно быстро выгорают, что уже через полгода приводит к падению эффективности работы устройства на 15-20%. КПД таких преобразователей составляет всего 6%. Они являются самыми дешевыми и способны работать даже в пасмурную погоду. Однако максимальный срок их службы составляет 2 года.

В основе пленочных батарей лежит не твердая подложка из металла или стекла, а полимерная пленка. Поэтому они выпускаются в рулонах, что позволяет расстелить батареи на больших площадях. Благодаря своей конструкции, их можно разрезать на различные по форме и размеру части, разместить солнечные батареи на крышу дома с плавными изгибами. Они компактные и легкие. Рулонная панель обойдется значительно дешевле, чем кремниевая, для изготовления которой используется дорогостоящий материал. Однако такие модели менее мощные. Приобрести их сегодня достаточно непросто, поскольку производство только развивается.

Все солнечные батареи, независимо от типа устройства, оснащаются контроллерами, которые следят за степенью заряда панели. Они перераспределяют полученную энергию, направляя ее к источнику потребления напрямую или сохраняя в аккумуляторе.

Устанавливать стационарные солнечные панели стоит только с солнечной стороны дома

Элементы для улучшения работы

СБ на солнечном трекереДля организации более эффективной работы фотоэлементов в конструкции солнечной батареи используют диод Шоттки.

Он представляет собой диод полупроводникового типа, который имеет меньше по сравнению с другими конструкциями падение напряжения при включении напрямую.

Он работает на основе использования перехода p-n типа в среде “металл-проводник”. Сравнение с кремниевыми диодами показывает, что прямое напряжение снижается в среднем с 0,65 В до 0,35 В, что способствует росту КПД системы.

Для более эффективного попадания солнечного света на поверхность батареи разработано и используется специальное устройство – солнечный трекер. Данное устройство предназначено для слежения за движением Солнца и поворота солнечной панели (батареи) таким образом, чтобы на её поверхность попадало как можно больше солнечных лучей (оптимизация угла падения лучей).

Для более рационального соединения двух и более панелей солнечных батарей и получения нужного сопротивления в такой системе используются специальные сертифицированные коннекторы, например МС4 Т (male+female).

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.

Принцип работы солнечных батарей

Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.

Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Технические характеристики

Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:

Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;
Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;
Контроллер уровня заряда аккумулятора.

Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.

Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.

(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)

Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.

Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.

Как работают солнечные батареи

Солнечный свет попадая на элементы солнечных панелей, преобразуется в постоянный электрический ток. Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный ( в привычные нам 220в), а он, попадая в контроллер, отправляется к потребителям (бытовой технике, осветительных устройств). Аккумулятор же выполняет роль буфера между солнечными батареями и инвертером. Мощность инверторов может быть разной: 250-8000 Вт

Главные параметры, на которые следует обращать внимание: напряжение, мощность. Причем нужно не просто изучить характеристики, а соотнести эти параметры друг с другом

Отмечают наиболее подходящие варианты, исходя из напряжения (В) и мощности (Вт):

12 В, 600 Вт;
24 В, 600-1500 Вт;
48 В, от 1500 Вт и выше.