Особенности и принцип функционирования солнечной панели

Многие сторонники «зеленой энергетики» мечтают о том, чтобы преобразовать солнечные лучи в энергию и использовать ее в дальнейшем для бытовых или иных нужд. Однако особое внимание стоит уделить нюансам работы такой батареи и КПД. Эти показатели недостаточно хороши, поэтому не позволяют вести речь о высокой эффективности энергоснабжения. Тем не менее, многие домохозяйства стремятся к получению бесплатной энергии. В качестве подтверждения этого факта выступает то, что многие дома на территории нашей необъятной страны уже снабжены ею.

Этот материал для тех, кто тоже хочет получать электроэнергию бесплатно, но не знает, с чего начать. А также для тех, кто желает ознакомиться с информацией о факторах, влияющих на эффективность гелиосистемы.

Основные термины и определения

«Солнечная энергетика» – довольно сложная тематика, в которой присутствует огромное количество нюансов, приводящих к настоящей путанице. Зачастую новички испытывают трудности, стараясь разобраться в терминологии. Однако этот шаг является обязательным, в противном случае заниматься гелиоэнергетикой нелогично.

Не зная основ, можно выбрать панель, которая не подходит, а также и вовсе сжечь ее в процессе подключения. Или же, наоборот, воспользоваться лишь небольшим объемом энергии. Так что прежде чем переходить к практике, нужно изучить виды оборудования. По крайней мере, разобраться с тем, что представляют собой батареи, а что – коллекторы. Ведь устройства различны, хотя оба и занимаются преобразованием солнечных лучей.

Тем не менее, в первом случае на выходе потребитель может рассчитывать на получение электрической, а во втором – тепловой энергии. Т. е. применение солнечных панелей является целесообразным для отопления дома. Еще один нюанс заключается в самом термине «солнечная батарея». Традиционно под ним принято понимать устройство, способное аккумулировать электрическую энергию. Или радиатор отопления. Но если рассматривать именно гелиобатареи, ситуация является иной, и она кардинально отличается. Ведь такие элементы ничего не накапливают.

Цель пользования батареями солнечного типа состоит исключительно в генерации тока, который, в свою очередь, накапливается для того, чтобы дом был снабжен электричеством в темное время суток. Происходит этот процесс в аккумуляторах, которые предусматриваются в схеме заранее. В данном вопросе батарея представляет собой совокупность однотипных элементов, которые представлены одним целым. По факту – это просто несколько идентичных фотоэлементов.

Особенности внутреннего устройства

Тенденция такова, что солнечные батареи можно приобрести по все более низкой стоимости, при этом эффективность их постоянно меняется в большую сторону. В настоящее время они широко используются в целях подзарядки аккумуляторных устройств. Например, в смартфонах, фонарях, автомобилях электрического типа, домохозяйствах, в космических спутниках. Примечателен тот факт, что с их помощью в последнее время стали возводить СЭС.

Особенности и принцип функционирования солнечной панели

Абсолютно каждая солнечная батарея представляет собой блок, в составе которого присутствует определенное число модулей. Нужно знать, как работает конечное звено в рамках всего устройства.

Разновидности кристаллов фотоэлементов

Количество вариантов ФЭП является достаточно большим. Но внушительная их доля приходится именно на разработки на начальных этапах. На сегодняшний день в масштабах промышленности производятся только панели на базе кремния. Самый обыкновенный фотоэлемент представлен пластиной, состоящей из этого материала в двух слоях. Каждый из них обладает уникальными физическими параметрами.

Особенности и принцип функционирования солнечной панели

Когда на фотоны, находящиеся между этими слоями, попадает полупроводник, происходит образование фото-ЭДС, вследствие этого потенциалы, как и ток электронов, становятся разными. В зависимости от конкретной технологии производства кремниевые пластины могут быть моно- и поликристаллическими. У первых элементов КПД значительно выше, но и стоимость немаленькая.

Внешние различия также имеются, они заключаются в форме изделий. Монокристаллические устройства обладают однородной структурой и выполняются в виде квадратов. Поликристаллические элементы представлены строго квадратами. Их получение происходит вследствие постепенного охлаждения кремния, который был расплавлен.

Этот метод является достаточно простым, а цена его невелика. Тем не менее, стоит отметить, что производительность при его использовании невысока и равна всего 15%. Причина этого – «загрязненность» пластин, а также особенности устройства их структуры внутри. Дело в том, что чем более «чистым» является кремниевый слой, тем выше КПД у ФЭП.

Монокристаллы в этом отношении намного лучше, ведь их производство осуществляется из кристалла, который был выращен искусственно и является цельным. Значение коэффициента преобразования, в свою очередь, составляет 20-22%. Верхний слой пластинки, который обращен в сторону солнца, также изготавливается из кремния, однако в него принято добавлять фосфор, выступающий в качестве источника избыточных электронов во всей этой системе.

За последнее время в данной области был сделан настоящий прорыв. Произошло это благодаря разработке гибких панелей, которые оснащены аморфным кремнием. Появили следующие возможности:

  • солнечная батарея в гибком варианте;
  • наклеивание фотоэлемента на жалюзи;
  • организация подзарядки для мобильных устройств;
  • панель, отличающаяся стойкостью по отношению к механическим влияниям.

Особенности и принцип функционирования солнечной панели

Как работает солнечная панель

В процессе попадания лучей солнца на фотоэлемент в нем происходит генерирование так называемых электронно-дырочных паров, они являются неравновесными. Избыточные электроны в некоторой степени переносятся через p-n-переход, происходит это между слоями полупроводника. Вследствие этого во внешней цепи формируется напряжение. Полюс является положительным в рамках контакта p-слоя. Что касается n-слоя, в нем он отрицательный.

Фотоэлементы, подсоединенные к внешней нагрузке в виде батареи, способствуют образованию замкнутого круга. В итоге работа солнечной панели осуществляется по принципу колеса, по которому совместно перемещаются электроны. Аккумулятор, в свою очередь, набирает заряд, и происходит это постепенно.

Классические преобразователи кремниевого типа (фотоэлектрические) представляют собой однопереходные компоненты. В них переток электронов наблюдается исключительно через один переход типа p-n, однако есть ограничения по энергетике фотонов. Если говорить простыми словами, можно отметить, что каждый из этих фотоэлементов имеет возможность генерирования электрической энергии строго от узкого спектра излучения. Остальная ее часть уходит впустую. Это может объяснить низкую эффективность ФЭП.

В целях повышения значения КПД солнечных батарей, изготовители стали использовать каскадные полупроводниковые элементы. В новых устройствах их количество превышает прежнее. Причем каждый компонент создан в расчете на свой спектр лучей. Общая эффективность при этом, которая наблюдается у преобразования фотонов в электрический ток, становится больше. Но и цена является немаленькой. Поэтому потребителям приходится выбирать между простотой производства с низкой ценой и высокой отдачей за высокую стоимость.

В процессе работы происходит постепенное нагревание фотоэлемента и всей батареи. Энергия, которая не пошла на генерацию, подлежит трансформации в тепло. Зачастую температурный режим поверхности может достигать 55 градусов по Цельсию со знаком плюс. Однако – чем он больше, тем эффективнее функционирование фотогальванического элемента.

В результате получается следующая картина: одна и та же модель в жаркую погоду генерирует меньше тока, чем во время морозов. Максимальное значение коэффициента полезного действия наблюдается зимой. На этот аспект оказывает влияние два фактора – большое количество солнца и естественное охлаждение.

Также стоит отметить, что при падении на панель снега генерирование электрической энергии продолжится в любом случае. Кроме того, снежинки почти не полежат на ней, т. к. произойдет их таяние из-за тепла фотоэлементов, которые были нагреты.

Особенности и принцип функционирования солнечной панели

Эффективность работы батарей в гелиосистеме

Количество электрической энергии, которое можно получить с помощью одного фотоэлемента, невелико, даже в условиях ясной погоды. Его может быть достаточно только для того, чтобы заработал светодиодный фонарик. В целях повышения уровня выходной мощности нужно взять несколько ФЭП и объединить их по параллельной схеме. Такой подход позволит увеличить значение постоянного напряжения и изменить силу тока в большую сторону.

Существует несколько факторов, оказывающих влияние на степень эффективности работы солнечных панелей:

  • температура воздушной массы;
  • температурная отметка самой батареи;
  • грамотность выбора сопротивления;
  • использование антибликовой поверхности или отказ от нее;
  • мощность потока света.

Чем более низкой является температура, тем большую эффективность имеют все фотоэлементы, а также гелиосистема в целом. Данная закономерность является вполне логичной и понятной. Что касается расчета нагрузки, здесь ситуация считается более сложной. Ведь ее выбор осуществляется на основании тока, который выдается панелью. Однако изменение его величины происходит в соответствии с климатическими условиями.

Есть несколько проблем с тем, чтобы постоянно следить за параметрами солнечной батареи и в ручном режиме осуществлять корректировку ее работы. Так что целесообразнее всего использовать специальный агрегат, который называется контроллером управления. Он обеспечивает подстраивание всех необходимых настроек, поэтому производительность получается максимальной.

Особенности и принцип функционирования солнечной панели

Идеальное значение угла падения солнечных лучей – 90 градусов. Но если отклонение будет наблюдаться в пределах 30 градусов, снижение эффективности будет незначительным, только на 5%. Тем не менее, если этот угол будет увеличен в дальнейшем времени, станет наблюдаться все большее количество солнечного излучения, а КПД ФЭП снизится.

Если необходимо, чтобы батарея давала максимальное количество энергии в летнее время, ее нужно сориентировать так, чтобы она располагалась перпендикулярно по отношению к среднему положению Солнца. В Москве и области это значение составляет порядка 45 градусов. Если же максимальное значение требуется зимой, установка панели осуществляется вертикально.

Важно также отметить то, что пыль и грязь приводят к значительному снижению уровня производительности фотоэлементов. Фототы через такой слой просто-напросто не доходят до нужного места, поэтому преобразовывать нечего. Важно осуществлять регулярное мытье панелей, а также их установку таким образом, чтобы смывание пыли происходило за счет осадков.

Некоторые модели солнечных батарей оснащены линзами встроенного типа в целях концентрирования излучения на ФЭП. В условиях ясной погоды КПД становится выше. Но если облачность чрезмерно высокая, от линз нет пользы, только вред. Дело в том, что если классическая модель в данной ситуации продолжит генерировать ток, то линзовая разновидность полностью прекратит свою работу.

В идеале солнце должно освещать батарею равномерно. И если один из участков вдруг оказался затемненным, ФЭП, которые не освещены, превратятся в нагрузку. Они не только не будут генерировать энергию, но и отнимут ее у элементов, которые функционируют исправно. В связи с этим установка панелей должна осуществляться так, чтобы на пути у лучей не было преград в виде построек, деревьев и прочих крупных объектов.

Схема организации электрического питания дома от солнечной энергии

Традиционно данная система состоит из самой гелиопанели, контроллера, аккумуляторных устройств, инвертора. С помощью контроллера удается обеспечивать защиту солнечных батарей и АКБ. Он создает препятствия для протекания токов обратного типа в ночное время и когда на улице пасмурно. С другой стороны, он обеспечивает их защиту от чрезмерной нагрузки.

Чтобы обеспечить трансформацию постоянного тока на 12, 24, 48 вольт, обязательно требуется инвертор. Использование АКБ для авто в этой схеме нецелесообразно, т. к. они не выдерживают частых перезарядок. Лучше всего купить специальные устройства гелиевого AGM или заливные установки OPzS.

Таким образом, абсолютно каждый элемент во всей этой системе должен подбираться максимально грамотно.

Особенности и принцип функционирования солнечной панели

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...