Как работает солнечная батарея: устройство и принцип действия, подробное видео

Двусторонние солнечные модули

Одними из первых модули с двусторонней чувствительностью разработал российский производитель в Краснодаре – завод “Солнечный Ветер”. Мы продавали двусторонние модули еще 15-20 лет назад. К сожалению, в 2012 году завод закрылся, и с тех пор в России двусторонние модули больше не выпускаются. Но последние несколько лет все больше производителей стало выпускать такие (Bifacial) модули. В основном они изготавливаются из элементов n-типа (“Солнечный ветер” был одним из первых в мире, кто освоил производство солнечных элементов n-типа). 

По конструкции такие модули могут отличаться по исполнению задней защитной части. Это может быть или прозрачная EVA пленка, или стекло (double glass). Модули с двойным стеклом имеют лучшую надежность и больший срок службы по сравнению со стандартными модулями с защитной пленкой. Модули могут быть с алюминиевой рамой и безрамными.

Как отличить по настоящему двусторонние модули от односторонних с прозрачной задней пленкой или двойным стеклом (такие тоже есть на рынке)? Настоящие двусторонние модули имеют токосъемную сетку с обеих сторон солнечного элемента.

Двусторонние солнечные модули на трекере

Традиционно двусторонние модули использовались только при установке на земле в таких условиях, когда отраженных от земли солнечный свет мог попадать на заднюю поверхность солнечной батареи. Например, при отражении от снега, от светлого песка и т.п. Даже при установке на светлых крышах достигалась добавка к выработке энергии (в среднем +10% по сравнению с односторонними модулями). 

Учитывая, что чувствительность задней стороны в таких модулях идет бонусом и ничего не стоит, применение двусторонних модулей может быть привлекательным даже при том, что задняя поверхность не освещается. Они часто используются при строительстве навесов и полупрозрачных крыш, потому что свет проникает через незаполненные солнечными элементами промежутки. 

Еще одним преимуществом двусторонних солнечных модулей является меньший температурный коэффициент из-за того, что такие модули меньше нагреваются на солнце. 

Как устанавливать двусторонние модули?

Способ установки bifacial модулей зависит от их конструкции. Рамные модули обычно легче устанавливать потому, что традиционные монтажные конструкции больше адаптированы именно к рамным модулям. Многие производители двусторонних модулей снабжают своими специальными креплениями, это облегчает установщикам их работу. Безрамные модули крепятся с помощью специальных креплений с резиновыми прокладками (они есть у нас в ассортименте), и нужно быть аккуратными при затяжке болтов, чтобы не расколоть стекло.

Количество энергии, которое генерируется тыльной стороной модуля, зависит от угла наклона солнечной батареи. Нужно обеспечивать попадание отраженного от поверхностей света на заднюю часть модуля. Несмотря на то, что в двусторонних фотоэлектрических модулях используются специальные тонкие клеммные коробки, которые практически не затеняют тыльную сторону элементов, сама монтажная конструкция может частично затенять тыльную часть солнечного модуля. В идеале нужно проектировать монтажную конструкцию с учетом используемых модулей с двусторонней чувствительностью, чтобы она минимально затеняла тыльную сторону солнечной батареи от отраженного света.

Вот некоторые производители, которые делают двусторонние модули:  LG, LONGi, Lumos Solar, Prism Solar, Silfab, Sunpreme, Trina Solar и Yingli Solar. С увеличением количества производителей двусторонние модули переходят из нишевого продукта в майнстрим. Думаю, мы увидим через несколько лет, что bifacial модули занимают существенную долю рынка солнечных модулей.

Видео от JA Solar, в котором рассказано о технологиях, применяемых в  современных солнечных модулях

В рекламируемом модуле применены технологии:

1. PERC (пассивированный задний контакт)
2. Half-cut cells (половинные солнечные элементы)
3. Multi busbars (увеличенное количество токосъемных шин – 9 в данном случае)
4. bifacial cells (двусторонная чувствительность элементов), даны цифры по увеличению выработки солнечными панелями за счет двусторонней чувствительности
5. double glass panels (двойное защитное стекло) увеличивает срок службы и выработку солнечных панелей за счет уменьшения деградации с течением времени.

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.

https://youtube.com/watch?v=EdR_ZGsnLLQ

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

Преимущества и недостатки

Солнечные батареи, так же как другие устройства обладают своими достоинствами и недостатками. К несомненным плюсам этих систем можно отнести следующие:

• Возможность автономной работы позволяет организовать питание объектов, электронных устройств и освещения, удаленных на значительное расстояние от стационарных электрических сетей.
• Значительная экономия денежных средств в процессе эксплуатации. Солнечный свет, превращающийся в электроэнергию, ничего не стоит и не требует дополнительных расходов. Платить приходится лишь за инверторы и аккумуляторные батареи, требующие периодической замены. И даже в этом случае солнечные панели окупятся примерно за 10 лет при среднем гарантийном сроке службы в 25-30 лет. При соблюдении всех правил эксплуатации, батареи смогут прослужить еще дольше.
• По сравнению с обычными электростанциями, потребляющими топливо и загрязняющими окружающую среду, схема работы солнечных панелей отличается экологической чистотой и отсутствием шума.

Тем не менее, данные устройства обладают и серьезными недостатками, которые следует заранее учитывать в предварительных расчетах:

• Высокая стоимость не только панелей, но и дополнительных компонентов – инверторов, контроллеров, аккумуляторных батарей.
• Окупаемость наступает слишком долго. Деньги в течение длительного времени оказываются извлеченными из оборота.
• Солнечные системы с фотоэлектрическими элементами требуют очень много места. Довольно часто для этих целей приходится задействовать не только всю крышу, но и стены здания, серьезно нарушая проектные дизайнерские решения. Дополнительное место необходимо аккумуляторным батареям с большой емкостью, которые в отдельных случаях могут занять целое помещение.
• Процесс вырабатывания электроэнергии происходит неравномерно, в зависимости от времени суток. Этот недостаток компенсируется аккумуляторными батареями, которые днем накапливают электроэнергию, а ночью отдают ее потребителям.

Категории качества

Чтобы оценить качество солнечной панели, надо в первую очередь выяснить класс использованного для производства фотоэлектрических элементов сырья. От этого зависят эффективность и срок службы готовых изделий. Основных классов 4:

Лучше выбирать первый вариант, на крайний случай подойдет и второй. Только они смогут обеспечить нормальную эффективность и будут служить долгое время.

Защитная пленка на солнечных панелях тоже должна быть качественной.

Ламинирующий материал EVA – это специальная пленка, которая располагается с лицевой стороны и может использоваться на изнаночной. Главное назначение – защита рабочих элементов от неблагоприятных воздействий без создания помех для солнечного света. Качественные варианты служат около 25 лет, некачественные – от 5 до 10. Определить разновидность на глаз невозможно, поэтому проще исходить из цены – у добротных вариантов она не будет низкой.

Устройство солнечной батареи

Для того, чтобы солнечная батарея была способна преобразовывать свет солнца в ток, необходимы следующие элементы:

1. Фотоэлектрический слой, который играет роль полупроводника. Представлен двумя слоями разных по проводимости материалов. Здесь электроны способны переходить из области p(+) в область n (-). Это называется p-n переход;
2. Между двумя слоями полупроводников помещен элемент, который является по своей сути преградой для перехода электронов;
3. Источник питания. Он необходим для подключения к элементу, препятствующему переходу электронов. Он преобразовывает движение заряженных электронов, т.е. создает электрический ток. Аккумуляторная батарея. Аккумулирует и хранит энергию;
4. Контролёр заряда. Основной его функцией является подключение и отключение солнечной батареи исходя от уровня заряда. Более сложные устройства способны контролировать максимальный уровень мощности;
5. Преобразователь прямого тока в переменный (инвертор);
6. Устройство, стабилизирующее напряжение. Обеспечивает защиту системы солнечной батареи от скачков напряжения.

Принцип работы повер банка с солнечной батареей

Принцип работы солнечной батареи.

Это компактных размеров девайс, причем портативный, рассчитанный на каждодневное использование. По принципу действия мало чем отличается от обычных «банок». Форма и дизайн определяются производителем, на корпусе есть все необходимые разъемы для подключения гаджетов, также предусмотрена светодиодная индикация.

Особенность power bank на солнечных батареях – в них встроены фотоэлектрические элементы. О чем этого говорит рядовому потребителю? О том, что внутри зарядного устройства солнечное излучение преобразуется в электроэнергию, которая и собирается внутри «банки».

Еще один момент – подключенными к зарядке устройствами можно продолжать пользоваться. Портативные аккумуляторы также хороши своими малыми размерами, их удобно носить в рюкзаке. Впрочем, размеры повербанка зависят от запаса емкости. Есть небольшие «ручные» модели, а есть разновидности и вовсе в виде браслета, закрепляемые на руку – вариант для сторонников активного образа жизни.

Что до принципа работы повер банка на солнечных батареях. Достаточно оставить его в таком положении, чтобы на фотоэлементы, размещенные на корпусе, попадали прямые лучи солнца. Желательно действия проводить в безоблачный день, иначе процесс накопления заряда существенно растянется. Но, фотоэлектрических элементов на гаджете немного, да и площадь у них небольшая, поэтому даже при ясном небе они будут аккумулировать энергию 1 – 5 суток. Скорость восстановления энергоресурсов зависит и от емкости аккумулятора. Если это фирменная модель на 20000 мАч, ей, чтобы полностью зарядиться, понадобится от 3 до 7 суток.

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.

Что такое садовые фонари на принципе солнечных батарей

Неправильным будет не упомянуть и это чудо техники. Сегодня немалой популярностью пользуются красивые экологичные фонари для сада на солнечных батареях. Это очень удобно – фонари освещают садовую территорию, к, а лишней электроэнергии вы при этом не тратите.

А принцип работы этих фонарей прост. В верхнюю часть фонаря вмонтирована фитопластина, осуществляется улавливание и последующее преобразование солнечной энергии. Накапливается она в небольшом аккумуляторе, расположенном в основании фонарика. И расход той энергии, что накопилась, осуществляется поздним вечером и ночью. Очень удобно!

Характеристики кремниевых солнечных батарей

Кварцевый порошок — это сырьевой материал для кремния. Данного материала на Урале и Сибири очень много, поэтому именно кремниевые солнечные панели есть и будут в большем обиходе, чем остальные подтипы.

Монокристалл

Монокристаллические пластины (mono–Si) содержат в себе синевато–темный цвет, равномерно размещенный на всей пластине. Для таких пластин применяется максимально очищенный кремний. Чем он чище, тем КПД солнечных батарей выше и самую наибольшую стоимость на рынке таких устройств.

Преимущества монокристалла:

1. Наивысший КПД — 17–25%.
2. Компактность — задействование сравнительно с поликристаллом меньшей площади для развертывания оснащения в условиях тождества мощности.
3. Износостойкость — бесперебойная работа выработки электроэнергии без замены основных комплектующих обеспечивается за четверть века.

Недостатки:

1. Чувствительность к пыли и грязи — осевшая пыль не дает батареям работать со светом от светила и соответственно уменьшает КПД.
2. Высокая цена равна увеличенному сроку окупаемости.

Так как mono–Si нуждаются в ясной погоде и лучах Солнца, панели устанавливаются на открытых местах и поднятые на высоту. Насчет местности, то предпочтение отдается местности, в которой ясная погода обыденность, а количество солнечных дней приближено к максимальному.

Поликристалл

Поликристаллические пластины (multi–Si) наделены неравномерным синим окрасом из–за разнонаправленности кристаллов. Кремний не настолько чист, как в используемых mono–Si, поэтому КПД несколько ниже, вместе со стоимостью таких солнечных батарей.

Положительные факты поликристалла:

1. Коэффициент полезного действия 12–18%.
2. При неблагоприятной погоде КПД лучше, чем у Mono–Si.
3. Цена данного агрегата меньше, а сроки окупаемости намного ниже.
4. Ориентация на солнце не принципиальна, поэтому можно размещать их на крышах различных строений.
5. Длительность эксплуатации — эффективность поглощения энергии и аккумулирования электричества падает до 20% спустя 20 лет непрерывной эксплуатации.

Недостатки:

1. КПД уменьшен до 12–18%.
2. Требовательность к месту. Для развертывания нормальной станции выработки электроэнергии нужно больше места, чем при задействовании батареи из монокристалла.

Аморфный кремний

Технология производства панелей существенно отличается от предыдущих двух. В приготовлении задействованы горячие пары, опускающиеся на подложку без образования кристаллов. При этом используется меньше производственного материала и это учитывается при формировании цены.

Преимущества:

1. Коэффициент полезного действия — 8–9% во втором поколении и до 12% в третьем.
2. Высокий коэффициент полезного действия при не совсем солнечной погоде.
3. Возможность использования на гибких модулях.
4. Эффективность батарей не падает вниз при повышении температуры, что позволяет монтировать их на всякие поверхности с нестандартной формой.

Основным недостатком можно считать меньший КПД (если сравнивать с иными аналогами), в связи с чем требуется большая площадь для получения сопоставимой отдачи от оборудования.

Отопление солнечной энергией домов

Принцип работы солнечной батареи для отопления дома кардинально отличает их от всех описанных выше приспособлений. Это совершенно другое устройство. Описание следует ниже.

Главной деталью отопительной системы, работающей на энергии солнца, является коллектор, принимающий его свет и преобразовывающий его в кинетическую энергию. Площадь этого элемента может варьироваться от 30 до 70 квадратных метров.

Для крепления коллектора используется специальная техника. Между собой пластины соединены металлическими контактами.

Следующим компонентом системы является накопительный бойлер. В нем происходит трансформация кинетической энергии в тепловую. Он участвует в нагревании воды, литраж которой может достигать 300 литров. Иногда такие системы поддерживаются дополнительными котлами на сухом топливе.

Завершают систему солнечного отопления настенные и напольные элементы, в которых по тонким медным трубам, распределенным по всей их площади, циркулирует нагретая жидкость. Благодаря низкой температуре запуска панелей и равномерности теплоотдачи, помещение прогревается достаточно быстро.

Какую солнечную панель выбрать?

Выбор солнечных панелей для загородных домов на широте 45-60 ° не труден. Здесь стоит рассматривать лишь два варианта: поликристаллические и монокристаллические кремниевые панели. При дефиците места предпочтение лучше отдать более эффективным моделям с односторонней ориентацией кристаллов, при неограниченной площади рекомендуется приобрести поликристаллические батареи.

Ориентироваться на прогнозы аналитических компаний развития рынка солнечных панелей не стоит, ведь лучшие их образцы, возможно, ещё не изобретены

Выбирать конкретного производителя, требуемую мощность и дополнительное оборудование лучше при участии менеджеров компаний, занимающихся продажей и установкой такого оборудования. Следует знать, что качество и цена фотоэлектрических модулей у крупнейших производителей отличаются мало.

Следует учитывать, что при заказе комплекта оборудования «под ключ», стоимость самих солнечных панелей будет составлять всего лишь 30-40% от общей суммы. Сроки окупаемости таких проектов составляют 5-10 лет, и зависят от уровня энергопотребления и возможности продажи излишков электроэнергии в городскую сеть.

Преимущества и недостатки использования солнечной батареи

К преимуществам использования солнечной батареи относят:

1. Экономическую выгоду. Электроэнергия, поставляемая от энергии солнца, бесплатная;
2. Экологическая безопасность. Работа солнечной батареи не связана с выбросом вредных веществ в атмосферу;
3. Установка системы солнечной батареи является быстро окупаемой;
4. Простота эксплуатации и установки.

К недостаткам относят:

• Дороговизна установки;
• Маленькие фотоэлементы не обеспечивают всех потребностей в электроэнергии одной семьи;
• Эффективность их работы зависит от многих факторов, таких как:
  1. Погодных условий;
  2. Температуры на улице и степени нагрева солнечной батареи;
  3. Грамотного выбора всех комплектующих для обеспечения требуемых параметров;
  4. Мощности потока света;
  5. Ориентации солнечной батареи к положению Солнца;
  6. Чистоты панелей.

Устройство

Солнечной батареей называется система полупроводниковых устройств – фотоэлектрических преобразователей, преобразующих энергию солнца в постоянный ток. В схеме работы задействован принцип фотоэффекта.

Состоит солнечная батарея из таких элементов:

Устройство солнечной панели.

• материал-полупроводник, включающий в себя два слоя материалов, имеющих разную проводимость. Например, это поликристаллический или монокристаллический кремний, куда включены иные химические соединения с целью создания фотоэффекта p-n перехода. Получается, в одном материале электронов мало, в другом – в избытке;
• диэлектрик. Наносится тонким слоем с той целью, чтобы электроны не переходили далее;
• источник электропитания. Если его подключить к противостоящему слою, электроны легко преодолеют запорную зону. Как результат – образуется движение заряженных частиц;
• аккумулятор. Задача этого элемента – накапливать и сохранять энергию;
• контроллер заряда. Посредник между солнечным модулем и АКБ. Он отслеживает уровень заряда аккумулятора – не дает закипеть или снизиться электрическому потенциалу;
• инвертор-преобразователь. Преобразует постоянный ток от солнечной батареи в переменный 220 – 230 В;
• стабилизатор напряжения. Поддерживает напряжение, необходимое для работы всей системы.

Информация о том, как устроена солнечная батарея – это пол дела. Прежде чем выбирать и монтировать систему, не лишним будет разобраться, как она работает.

Выводы

Еще два десятилетия назад диковинкой казались микрокалькуляторы с фотоэлементами, что позволяло не менять в них «батарейку-таблетку» годами. Сейчас же мобильные телефоны со встроенной в заднюю крышку солнечной панелью никого не удивляют. А ведь это мелочь в сравнении с автомобилями и самолетами (пусть и беспилотными), которые научились передвигаться при помощи одной лишь солнечной энергии.

Будущее солнечных батарей видится точно таким же светлым, как само солнце. Хочется верить, что именно солнечные батареи позволят наконец-то вылечить смартфоны и планшеты от «розеткозависимости».

Выводы и полезное видео по теме

Принципы работы и схемы подключения солнечных батарей не слишком сложны для понимания. А с собранными нами ниже видеоматериалами разобраться во всех тонкостях функционирования и установки гелиопанелей будет еще проще.

Доступно и понятно, как работает фотоэлектрическая солнечная батарея, во всех подробностях:

Как устроены солнечные батареи:

Сборка солнечной панели из фотоэлементов своими руками:

Каждый элемент в системе солнечного электроснабжения коттеджа должен быть подобран грамотно. Неизбежные потери мощности происходят на аккумуляторах, трансформаторах и контроллере. И их обязательно надо сократить до минимума, иначе и так достаточно низкая эффективность гелиопанелей окажется сведена вообще к нулю.

Солнечная батарея: устройство и принцип работы

Совсем недавно, когда мы ещё ходили в школу, солнечная батарея для выработки электричества казалась чем-то фантастическим. Нам казалось, что их можно использовать только на космических кораблях. Но прошло 20─25 лет и солнечные батарейки не только появились в часах и калькуляторах, но и уже способны обеспечивать электроэнергией частные дома и дачи. А современные солнечные электростанции могут обеспечивать электроэнергией небольшие городки. Широкое распространение солнечные батареи получили европейских странах, США, Израиле и других регионах с высокой солнечной инсоляцией. И их использование уже даёт существенную экономию электроэнергии и горячего водоснабжения.

Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую и электрическую. Самые первые шаги в использовании энергии солнца человек сделал именно в направлении получения тепла. Можно сказать, что в этом случае и преобразования нет. Принцип работы прост. Он заключается в сборе солнечного тепла. Поэтому и устройства для этого называются солнечные коллекторы. Принцип работы таких установок заключается в сборе тепла с помощью абсорбера и передачи его теплоносителю. В качестве последнего выступает вода или воздух. Такие установки часто используются для отопления и горячего водоснабжения частных домов. Второй вариант использования – это преобразование её в электричество.

Растения на нашей планете уже миллионы лет преобразуют солнечную энергию химических связей. В результате этого процесса, называемого фотосинтезом, получается глюкоза. Принцип работы фотосинтеза человеку известен уже давно. Подробнее о том, читайте по указанной ссылке.

• Монокристаллические;
• Поликристаллические;
• Аморфные.

Фотоэлектрические панели из монокристаллов кремния считаются наиболее эффективными и имеющими высокий КПД. Фотоэлементы из поликристаллического кремния стоят дешевле и имеют самую низкую стоимость получения ватта электроэнергии. Есть также фотоэлектрические элементы на базе аморфного кремния. Из них делают . Выпускаются они из аморфного кремния. Производство таких элементов проще, чем моно и поликристаллов. В результате цена ниже, но КПД оставляют желать лучшего (5─6%).
Кроме того, панели из аморфного кремния имеют меньший срок службы, чем предыдущие два типа. Чтобы увеличить эффективность работы элементов, в кремний добавляют медь, селена, галлий, индий.

Фотоэлектрические элементы объединяются в солнечную батарею. Как правило, число фотоэлементов в батарее кратно 36, но есть и другие варианты. Помимо солнечной батареи в состав гелиосистем входят и другие устройства для того, чтобы накапливать и распределять электроэнергию. В частности, это:

• Аккумулятор (один или несколько);
• Инвертор (преобразует напряжение из 12 или 24 в 220 вольт);
• Контроллер для управления зарядом-разрядом аккумулятора и подачи питания в сеть.

По назначению можно выделить две большие группы устройств. Солнечные батареи малой мощности (до десяти ватт) применяются в мобильных гаджетах или power bank для зарядки. Системы больше мощности используются для электрификации частных домов и дач.
Они обычно располагаются на крышах и фасадах домов, реже на участках рядом с домом. Есть устройства, которые позволяют отслеживать солнце и менять угол наклона в зависимости от его положения. Теперь посмотрим, как работает солнечная батарея и от чего зависит эффективность её работы.