Как работают солнечные батареи

Устройство солнечной батареи и принцип ее работы зависит от того, из каких материалов и по какой технологии она изготовлена. Поэтому надо разобраться в особенностях основных вариантов, чтобы понимать, в чем их отличия и выбрать подходящее решение для использования. Все данные актуальны для качественных изделий, дешевые батареи могут не соответствовать заявленным параметрам, так как зачастую изготавливаются с нарушениями технологии.

Терминология

Основные термины, используемые в этой сфере:

1. Солнечная энергия – электричество, которое получают от солнца при использовании панелей.
2. Солнечная инсоляция – показывает, сколько солнечного света приходится на квадратный метр поверхности, расположенной перпендикулярно лучам.
3. Фотоэлектрические элементы – модули, способные преобразовывать солнечный свет в электрическую энергию. Обычно вырабатывают от 1 до 2 Вт энергии, но есть и более производительные варианты.
4. Фотогальваническая система – комплект оборудования, преобразовывающий свет солнца в электроэнергию.
5. Солнечные батареи или панели – группа фотоэлектрических элементов, сгруппированных в большой модуль и соединенных последовательным или последовательно-параллельным способом. Обычно в одну батарею входит от 36 до 40 сегментов.
6. Массив – несколько солнечных панелей, соединенных чтобы получить нужное количество тока.
7. Каркасные модули – конструкции в алюминиевом каркасе, прочные и герметичные.
8. Бескаркасные элементы – гибкие варианты, их используют в условиях меньших нагрузок.
9. Киловатт-час (кВт) – стандартный показатель измерения электрической мощности.
10. КПД (эффективность) – солнечных панелей. Показывает, какое количество солнечной энергии, попавшей на поверхность, преобразуется в электричество. Обычно показатель составляет 15-24%.
11. Деградация – уменьшение емкости солнечных батарей, происходящее по естественным причинам. Измеряется в процентах от первоначальных показателей.
12. Пиковые нагрузки – моменты, когда требуется наибольшее количество электроэнергии.
13. Кристаллический кремний – сырье для изготовления солнечных панелей. Самый распространенный и долговечный вариант на сегодня.
14. Аморфный кремний – состав, нанесенный на поверхность методом испарения и закрытый защитным составом.
15. Полупроводники – вещества, которые при определенных условиях могут проводить ток. Сюда относится большинство новых материалов, используемых при производстве солнечных батарей.
16. Инвертор – устройство для преобразования постоянного тока в переменный.
17. Контроллер – регулирует выходное напряжение с солнечных модулей для правильной зарядки аккумуляторов.

Это только самые распространенные термины, есть и дополнительные варианты. Но даже знание основ поможет намного лучше разобраться в теме.

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:

1. Grade A – лучший вариант, в котором отсутствуют любые повреждения и трещины. Однородность заполнения и гладкость поверхности гарантируют высокие эксплуатационные характеристики, которые чаще всего даже выше, чем заявлено в документации. Кроме того, этот вариант имеет самый низкий показатель деградации и сохраняет хорошие характеристики длительный срок.
2. Grade B немного хуже по качеству, на поверхности могут быть дефекты. Но при этом чаще всего использование позволяет получить изделия, сопоставимые по эффективности с классом А. Показатели деградации на порядок хуже, поэтому теряют первоначальные характеристики быстрее.
3. Grade C – вариант, в котором могут быть достаточно серьезные дефекты – от трещин до сколов и других повреждений. По цене такие модули намного дешевле, но и их эффективность не бывает больше 15%. Недорогое решение, которое подойдет для небольших нагрузок.
4. Grade D – про сути, это отходы, остающиеся после изготовления фотоэлементов, которые не должны использоваться для изготовления батарей. Но многие не очень честные производители, особенно из Азии, применяют их при производстве. Показатели работы у этого варианта крайне низкие.

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

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.

В видео на примере наглядно разбирают, как воздействии солнечного света возникает электрический ток.

Принцип работы

Разъяснить особенности работы солнечной батареи достаточно сложно, но можно разобраться в общих моментах:

1. Когда солнечный свет попадает на фотоэлементы, там начинается образование неравновесных электронно-дырочных пар.
2. Из-за избытка электронов они начинают перемещаться в нижний слой полупроводника.
3. Во внешней цепи возникает напряжение. Положительный полюс возникает на контакте р-слоя, а на контакте n-слоя появляется отрицательный.
4. Если к фотоэлементам подключена аккумуляторная батарея, то получается замкнутый круг и постоянно движущиеся электроны обеспечивают постепенный заряд аккумулятора.
5. Обычные кремниевые модули относятся к однопереходным элементам, которые могут генерировать энергию только от определенного спектра солнечного света. Именно из-за этого КПД оборудования невысокий.
6. Чтобы решить проблему, изготовители разработали каскадные варианты, они могут брать энергию у разных лучей солнечного спектра. Это повышает КПД, но за счет высокой себестоимости производства цена таких панелей намного выше.
7. Та энергия, которая не преобразовалась в электричество, превращается в тепло, поэтому солнечные батареи греются в процессе работы до 55 градусов, а полупроводниковые – до 180. Причем по мере нагревания эффективность работы солнечной батареи снижается.

Кстати! Наибольшая эффективность работы солнечных панелей достигается в ясные зимние дни, когда света хватает, а низкая температура остужает поверхность.

Из чего сделаны

Чтобы изучить устройство солнечной батареи, нужно разобраться в основных разновидностях, так как технология производства имеет существенные различия в зависимости от используемого сырья:

1. Батареи CdTe. Теллурид кадмия применяется при изготовлении пленочных модулей. Слоя в несколько сотен микрометров хватает для того, чтобы получить КПД порядка 11% или немного выше. Это откровенно низкий показатель, зато в пересчета на 1 Ватт мощности себестоимость электроэнергии получается как минимум на 30% дешевле, чем у традиционных вариантов из кремния. При том, что данная разновидность намного тоньше и легче.
2. Тип CIGS. Аббревиатура обозначает, что в состав входят медь, индий, галлий и селен. Получается полупроводник, который также наносится небольшим слоем, но в отличие от первого варианта тут эффективность на порядок выше и составляет 15%.
3. Типы GaAs и InP отличает возможность нанесения тонкого слоя в 5-6 мкм, при этом КПД будет составлять около 20%. Это новое слово в технологиях добычи электроэнергии из солнечного света. Благодаря высоким рабочим температурам батареи могут сильно нагреваться без потери эксплуатационных характеристики. Но из-за того, что при производстве используются редкоземельные материалы, себестоимость этого типа высока.
4. Батареи с квантовыми точками (QDSC). В них в качестве поглощающего материала для преобразования солнечной энергии используются квантовые точки вместо традиционных объемных материалов. За счет особенностей настройки запрещенных зон можно делать многопереходные модули, поглощающие солнечную энергию более эффективно.
5. Аморфный кремний наносится методом испарения и имеет неоднородную структуру. Он не отличается высокими показателями КПД, но однородная поверхность очень хорошо поглощает даже рассеянный свет.
6. Поликристаллические варианты изготавливаются путем плавления кремния и его охлаждения при определенных условиях, чтобы получить однонаправленные кристаллы. Одно из самых распространенных решений благодаря дешевизне производства и неплохим показателям КПД.
7. Монокристаллические элементы состоят из цельных кристаллов, разрезанных на тонкие пластинки и легированных фосфором. Самое долговечное решение, у которого низкие показатели деградации и срок службы, составляющий как минимум 30 лет, но чаще всего больше на 10-15 лет.

Читайте также

Виды и способы установки солнечных панелей

 

Плюсы и минусы солнечных панелей

У каждого типа есть свои особенности, которые стоит учесть при выборе, чтобы решить, какой вид подойдет больше всего:

1. Монокристаллические панели имеют самый большой КПД и за счет этого экономится площадь под размещение модулей. Они служат как минимум 25 лет и медленно теряют показатели мощности. При этом поверхность очень чувствительна к загрязнениям, ее нужно часто мыть. А цена самая высокая из всех вариантов на основе кремния.
2. Поликристаллические варианты не так эффективно поглощают солнечные лучи, но зато лучше работают при рассеянном освещении. По соотношению цены и качества они выгоднее, но занимают больше места из-за меньшего КПД.
3. Батареи из аморфного кремния можно размещать где угодно, в том числе и на стенах зданий, так как они хорошо поглощают рассеянный свет. При невысоком КПД они имеют низкую цену, поэтому могут использоваться как эконом-вариант. При этом служат долго и не так боятся загрязнения поверхности.
4. Варианты из редкоземельных металлов имеют схожие преимущества и недостатки, поэтому можно рассмотреть их вместе. По эффективности они превосходят классические панели, могут наноситься на пленку, что удобно. Температурный диапазон у них больше, поэтому нагревание не сказывается на эффективности работы. Но из-за высокой цены и редкости металлов такие варианты не используются массово.

Где используются

Все рассмотренные варианты можно устанавливать в частном секторе, чтобы получать электроэнергию от солнца и сэкономить на энергоресурсах или даже добиться полной автономности. Что касается использования, нужно учесть несколько простых рекомендаций:

1. Монокристаллические и поликристаллические варианты лучше всего ставить на кровле или на земле, предварительно соорудив каркас под нужным углом. Желательно, чтобы угол наклона регулировался, так можно подстраиваться под солнце.
2. Пленочные модули можно располагать где угодно, как на стенах, так и на крышах. Они хорошо работают даже если лучи попадают на поверхность не под прямым углом, что очень важно.
3. В промышленных масштабах также отдают предпочтение пленочным батареям как более дешевым и простым в монтаже.

Есть несколько разновидностей солнечных батарей, но около 90% рынка занимают традиционные кремниевые модели благодаря низкой цене и хорошим характеристикам. Можно выбрать и одно из полупроводниковых решений, но тогда придется потратить в полтора-два раза больше средств.