Принцип работы солнечной батареи позволяет добывать электричество практически ниоткуда, за счет физических свойств материала, из которого сделаны эти приборы. Энергия солнца позволяет значительно сэкономить и снизить зависимость электроснабжения от стационарных сетей.
Как используется солнечная энергия
Существует два основных способа преобразования солнечной энергии. После выполнения определенных действий она превращается в тепло и электричество. Именно первый вариант стал использоваться в первую очередь, при котором тепловая энергия солнца собиралась с помощью специальных коллекторов (рис. 1). Собранное тепло передается теплоносителю и далее осуществляется его практическое применение. Подобные системы используются для дома при устройстве отопления и подачи горячей воды.
Во втором случае солнечная энергия напрямую превращается в электрическую. Данный процесс осуществляется с использованием физических свойств фотоэлектрических элементов. Эти качества похожи на природный фотосинтез, в результате которого солнечные лучи превращаются в другие виды материи. Действие солнечной батареи и производство электроэнергии происходит по аналогичной схеме в дневное и ночное время.
В данном случае все зависит от материала, используемого в солнечных панелях. В большинстве устройств применяется кремний, соединенный с медью, кадмием, индием. Полученные таким образом полупроводники, под влиянием света начинают вырабатывать электрический ток. Наиболее высокий КПД у фотоэлектрических панелей из монокристаллического кремния. Другие виды элементов поликристаллические и аморфные, считаются менее эффективными, обладают более низким КПД и стоят значительно дешевле.
Определенное количество фотоэлементов объединяются вместе, и становятся общими работающими солнечными батареями. Кроме того, гелиосистема включает в себя инвертор для преобразования напряжения, контроллер для управления зарядкой-разрядкой, а также один или несколько аккумуляторов.
Преобразование солнечной энергии
Чтобы понять, как работают солнечные батареи, нужно знать устройство и принцип работы. Непосредственное превращение солнечной энергии в электрический ток происходит внутри фотоэлементов, соединенных последовательно между собой. Основой каждого из них служат кристаллы кремния, широко распространенные в природе в виде различных соединений. Более всего известен обычный песок, который является оксидом кремния. По аналогии, кристаллический кремний представляет собой крупную песчинку, выращенную искусственным путем.
Готовые кристаллы получаются в форме кубиков, после чего они разрезаются на тонкие пластины, толщиной 200 микрон. На одну сторону такой пластинки наносится слой бора, а на другую слой фосфора. На границе кремния и бора присутствует избыточное количество электронов, а со стороны фосфора их, наоборот, не хватает. Место стыковки с такими физическими свойствами называется р-п переходом.
Принцип действия солнечной батареи заключается в следующем. Когда солнечный свет попадает на фотоэлементы, его фотоны начинают бомбардировать поверхность. Излишки электронов выбиваются, после чего начинается их движение туда, где их не хватает, то есть, в сторону дырок. В этот момент и происходит возникновение электрического тока, представляющего собой упорядоченное движение электронов. Сбор электричества производится по металлическим дорожкам, подведенным к каждому фотоэлементу.
Отдельно взятый фотоэлемент обладает незначительной мощностью. Его напряжение находится в пределах 0,5 В. Для получения более высокого выходного напряжения в 18 вольт, элементы в количестве 36 единиц соединяются последовательно в общую батарею. Полученного напряжения вполне достаточно аккумулятору на 12 вольт. Данные параметры взяты по максимуму, на практике же заявленные показатели будут ниже. Все зависит от того, как устроена солнечная батарея.
Готовая батарея в сборе устанавливается на подложку, сверху накрывается стеклом, после чего все швы и стыки герметизируются. Сами батареи также могут соединяться между собой последовательно или параллельно. В результате, получаются небольшие солнечные электростанции, широко используемые на дачах и в частных домах. Единственным условием является чистая поверхность и наличие яркого солнечного света.
Параметры и характеристики солнечных батарей
Основным показателем работоспособности батареи является ее мощность. Максимальное напряжение создается при наличии яркого света и зависит от количества элементов, соединенных последовательно. Важным фактором считается площадь каждого из них.
Нормальное функционирование панелей во многом зависит от дополнительных компонентов системы. Среди них следует отметить контроллер зарядки аккумуляторной батареи, а также инвертор, который нужен для преобразования постоянного тока в переменный.
Каждый аккумулятор обладает допустимым током зарядки, который не должен быть превышен. В противном случае это приведет к выходу из строя всей системы. Мощность, необходимая для зарядки аккумулятора, выбирается в зависимости от его напряжения. Уровень заряда как раз и обеспечивается контроллером, в результате, поступающая солнечная энергия используется максимально полно.
Необходимость использования контроллера связана с недостатками прямого подключения аккумулятора к батарее. В этом случае ток зарядки может быть либо слишком большим, либо слишком маленьким. В первом случае АКБ быстро выйдет из строя, а во втором аккумулятор не будет полностью заряжен.
Мощность инвертора должна совпадать с аналогичным показателем у подключаемого оборудования. В этом случае в расчет принимается суммарная мощность используемых электроприборов.
Виды солнечных панелей
Кроме мощности и других рабочих параметров, солнечные панели различаются по материалам, используемым в их конструкции.
Монокристаллический кремний
В наиболее качественных панелях применяется монокристаллический кремний. Данные элементы изготавливаются в форме квадрата с закругленными углами. Такая конфигурация обусловлена технологией изготовления, когда выращенные кристаллы изначально принимают цилиндрическую форму. Далее края цилиндров обрезаются и основание принимает нужную конфигурацию, из чего потом делаются заготовки.
Готовые ячейки устанавливаются на подложку и накрываются стеклом или ламинированным покрытием. Полученные таким способом батареи имеют максимально возможный КПД, отличаются высоким качеством и надежностью в работе.
Поликристаллический кремний
Технология изготовления почти такая же за исключением формы кристалла, который в конце изготовления принимает не круглую, а квадратную форму. В его структуру входят мелкие кристаллы в большом количестве, поэтому конечный продукт и получается в квадратной конфигурации.
Сырьем служат отходы, полученные при изготовлении фотоэлементов и микросхем. В результате, готовые приборы обладают более низким КПД, однако конкретные параметры зависят от производителя, и нередко совпадают с монокристаллическими изделиями.
Аморфный кремний
Используется в производстве гибких солнечных панелей. Вместо кристаллов здесь выполняется напыление тонкого слоя кремния со всеми добавками, после чего образуется покрытие нужной толщины. После разрезания листов и приклеивания на них токопроводящих полосок, конструкция покрывается ламинатом.
Такие батареи обладают самым низким КПД, однако они могут сгибаться во всех направлениях, а скатанные в рулон транспортируются на любые расстояния. Данные изделия незаменимы в полевых условиях, в походах и путешествиях при отсутствии возможности нормальной зарядки.
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.
Изготовление солнечных батарей
Конструкция стандартной солнечной батареи состоит из нескольких компонентов. Основной деталью является сама панель, выполненная в виде прямоугольного прозрачного короба, внутри которого располагаются тонкие квадраты кремния темного цвета. Кремний в соединении с кислородом представляет собой оксид кремния, используемый в качестве основы для батарей, на чем основан их принцип действия.
Процесс изготовления солнечных панелей можно условно разделить на несколько этапов:
- Первый этап заключается в подготовке сырья. В этот период очищается состав кварцевого песка путем прокаливания его вместе с коксом. В результате, из него выделяется кислород и остается только чистый кремний, внешне похожий на уголь.
- Затем начинается выращивание кристаллов, и в этот период упорядочивается структура кремния. В специальном тигле он разогревается до температуры плавления, после чего в полученную лаву добавляется специальная затравка. Она похожа на готовый кристалл и вокруг него начинают образовываться слои кремния с упорядоченной структурой, чтобы в дальнейшем соблюдался принцип работы солнечных батарей. Через несколько часов получается готовый кристалл цилиндрической формы, обрезаемый по краям. В сечении получается квадрат с закругленными краями.
- Заготовка разрезается на тонкие пластинки по 100-200 микрон, после чего они тестируются, сортируются и направляются на следующий участок.
- На следующем этапе пластинки запаиваются в секции, из которых на стеклянной основе формируются блоки. Стекло выполняет защитную функцию и уберегает готовые элементы от механических повреждений. Одна секция состоит из 9-10 отдельных элементов, а все устройство солнечной батареи включает в себя 4-6 секций и более.
- Далее выполняется ламинирование пластин, спаянных в блоки. Для этого используется этиленвинилацетатная пленка. После наносится защитное покрытие, формируется строение солнечных батарей. Вся информация поступает на компьютер, отслеживающий уровень вакуума, давления и температуры.
- На завершающей стадии осуществляется монтаж алюминиевой рамы и соединительной коробки. Готовая конструкция тестируется, проверяется как работает солнечная батарея, проводятся измерения всех показателей и технических параметров.