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

Принцип работы солнечных панелей | Электрика в доме

Применение солнечных батарей

Использование солнечной энергии для создания солнечных электростанций является очень выгодным и не таким уж дорогим источником электроэнергии. Широкое применение солнечных батарей нашли не только в промышленности и других отраслях, но и для индивидуальных нужд.

Со временем солнечные батареи становятся дешевле и все большее число людей приобретают их и используют в качестве источника альтернативной энергии. На солнечных панелях работают калькуляторы, радиоприемники, фонари на аккумуляторах с подзарядкой от солнечной панели.

Есть даже корейский мобильный телефон, который может заряжаться от солнечных панелей. Появились небольшие переносные электростанции на солнечных панелях, которыми пользуются туристы, рыбаки, охотники. Сейчас никого не удивишь автомобилем с солнечной панелью на крыше.

Как работают солнечные батареи

Солнечная панель состоит из множества фотоэлементов, которые при освещении солнечными лучами создают разность потенциалов.  Теперь, соединяя эти фотоэлементы последовательно, мы увеличим величину постоянного напряжения, а соединяя параллельно, увеличим силу тока.

Устройство солнечных батарей

Т. е., соединяя фотоэлементы последовательно – параллельно мы можем достичь большой мощности солнечной панели. Также батареи можно собирать параллельно и последовательно в модуле и добиться значительного увеличения напряжения, тока и мощности такого модуля.

Принцип работы солнечной панели

Кроме солнечных батарей схема имеет еще такие устройства как контроллер, необходимый для контроля заряда аккумулятора, инвертор имеет функцию преобразования постоянного напряжения в стабильное переменное, для потребителей электроэнергии. Аккумуляторы предназначены для накопления электроэнергии.

Как работают фотоэлементы солнечной батареи

Еще Беккерель доказал, что энергию солнца можно преобразовать в электричество, освещая специальные полупроводники. Позднее эти полупроводники стали называть фотоэлементами. Фотоэлемент представляет собой два слоя полупроводника имеющих разную проводимость. С обеих сторон к этим полупроводникам припаиваются контакты для подключения в цепь. Слой полупроводника с n проводимостью является катодом, а слой с p проводником анодом.

Проводимость n называют электронной проводимостью, а слой p дырочной проводимостью. За счет передвижения «дырок» в p слое во время освещения, создается ток. Состояние атома потерявшего электрон называется «дырка». Таким образом, электрон перемещается по «дыркам» и создается иллюзия движения «дырок».

Принцип работы фотоэлемента

В действительности «дырки» не передвигаются. Граница соприкосновения проводников с разной проводимостью называется p-n переходом.  Создается аналог диода, который выдает разность потенциалов при его освещении. Когда освещается n проводимость, то электроны, получая дополнительную энергию, начинают проникать сквозь барьер p-n перехода.

Число электронов и «дырок» меняется, что приводит к появлению разности потенциала, и при замыкании цепи появляется ток. Величина разности потенциала зависит от размеров фотоэлемента, силы света, температуры. Основной первого фотоэлемента стал кремний. Однако высокую чистоту кремния получить трудно, стоит это недешево.

Когда освещается n проводимость, то электроны, получая дополнительную энергию, начинают проникать сквозь барьер p-n перехода. Число электронов и «дырок» меняется, что приводит к появлению разности потенциала, и при замыкании цепи появляется ток

Поэтому сейчас ищут замену кремнию. В новых разработках кремний заменен на многослойный полимер с высоким КПД до 30%. Но такие солнечные панели дорогие, и пока отсутствуют на рынке. КПД солнечных батарей можно повысить, если устанавливать их на южной стороне и под углом не меньше 30 градусов.

Рекомендуется, солнечные батареи устанавливать на устройство слежения за движением солнца. Это устройство передвигает панели таким образом, чтобы они получали максимально возможное освещение лучами солнца от восхода до заката. При этом КПД солнечных панелей возрастает достаточно сильно.

Этапы работы

Корпус

Прежде чем начать делать солнечную панель своими руками, необходимо соорудить для нее каркас. Он защищает батарею от повреждений, влаги и пыли.

Корпус собирается из влагостойкого материала: фанеры, покрытой влагоотталкивающим средством, или алюминиевых уголков, к которым силиконовым герметиком приклеивается оргстекло или поликарбонат.

При этом нужно соблюдать отступы между элементами (3-4 мм), так как необходимо учитывать расширение материала при повышении температуры.

Пайка элементов

Фотоэлементы выкладываются на лицевую сторону прозрачной поверхности, так, чтобы расстояние между ними со всех сторон было 5 мм: таким образом учитывается возможное расширение фотоячеек при повышении температуры.

Фиксируются преобразователи, имеющие два полюса: положительный и отрицательный. Если вы хотите увеличить напряжение, соединяйте элементы последовательно, если ток — параллельно.

Во избежание разрядки аккумулятора ночью, в единую цепь, состоящую из всех необходимых деталей, включают диод Шоттки, подсоединяя его к плюсовому проводнику. Затем все элементы спаивают между собой.

Сборка

В готовый каркас размещаются спаянные преобразователи, на фотоячейки наносится силикон — все это накрывается слоем из ДВП, закрывается крышкой, а места соединений деталей обрабатываются герметиком.

Даже городской житель может сделать и разместить солнечную батарею на балконе своими руками. Желательно, чтобы балкон был застеклен и утеплен. Вот мы и разобрали, как сделать солнечную батарею в домашних условиях, оказалось, это совсем несложно.

Как полупроводники вырабатывают электричество?

Полупроводник является материалом, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо их не хватает (p-тип). То есть полупроводник состоит из двух слоев с разной проводимостью.

В качестве катода в такой схеме используется n-слой. Анодом является p-слой. То есть электроны из первого слоя могут переходить во второй. Переход происходит за счет выбивания электронов фотонами света. Один фотон выбивает один электрон. После этого они, проходя через аккумулятор, попадают обратно в n-слой и все идет по кругу.

Когда энергия выработана, все начинается по кругу, а свет всегда горит.

В современных солнечных панелях в качестве полупроводника используется кремний, а начиналось все с селена. Селен показал крайне низкий КПД — не более одного процента — и ему сразу стали искать замену. Сейчас кремний в целом удовлетворяет требования промышленности, но есть у него и один существенный минус.

Обработка и очистка кремния для приведения его к тому виду, в котором его можно будет использовать, является достаточно затратной процедурой. Чтобы снизить стоимость производства, проводят эксперименты с его альтернативами — медью, индием, галием и кадмием.

Особенности установки

Есть ряд советов для владельцев частных домов, собирающихся использовать солнечные станции:

• Батареи лучше установить на южной части крыши или фасада либо на участке, который ориентирован на юг.
• Угол наклона выбирается в соответствии с широтой конкретного региона.
• Избегайте близости объектов, которые создают тень для солнечных панелей.
• Поверхность батарей нуждается в регулярной очистке от запыления и грязи.

Самые хорошие станции оснащаются системами отслеживания нахождения солнца. Очевидно, что солнечное излучение играет здесь главную роль, и не каждый регион имеет пригодные для этого условия

Важно учесть инсоляцию – сколько света доходит до земной поверхности на местности, где расположен «солнечный» дом

Предыдущая
Альтернативные источникиЭффективная солнечная батарея своими руками
Следующая
Альтернативные источникиКак правильно осуществить установку солнечных батарей

Спасибо, помогло!Не помогло

Создание и использование фотоэлектрических панелей для внеземных аппаратов

«Пионерами» разработки фотовольтаики данного типа стали инженеры СССР. Для космических кораблей «Восход», «Восток» и орбитальных станций «Салют» были использованы гелиопанели, созданные группой физика Н.С.Лидоренко. Он же произвел точные математические расчеты эффективности солнечных батарей в космосе для технологий того времени.

На тот момент КПД ячеек на базе кремния едва достигал 8-10%, однако конструкция модулей отличалась высокой надежностью. Основные идеи и технологические решения советских ученых лежат в основе и нынешней космической фотовольтаики.

За прошедшие с той поры 60 лет подобными панелями были оснащены:

• более 250 межпланетных станций (единственное исключение – 4 аппарата, запущенных в дальний космос и получающих энергию от радиоактивных элементов);
• свыше 3300 спутников, включая быстро увеличивающуюся группу «StarLink» Илона Маска;
• 72 лунохода,  длительное функционирование которых требовало постоянного притока энергии;
• 14 марсоходов, включая американский и китайский аппараты, направленные к Марсу в 2020 году.

Настройка схемы

Перед началом настройки временно разорвите цепь выхода компаратора U1-2.

Вместо термистора подключите сопротивление 8.2 кОм, примерно равное сопротивлению 10-килоомного термистора при температуре 25 градусов Цельсия. Если вы не планируете использовать термокомпенсацию точки максимальной мощности, или расстояние от панели до контроллера больше 2 метров, резисторы R15, R17 и термистор R16 могут быть удалены без ущерба для работоспособности схемы. При этом резистор R4 подключается к плюсовой шине.

Операции настойки выполняются в следующей последовательности:

1. Подключите к выходу контроллера заряженную примерно на 50-60% аккумуляторную батарею небольшой мощности, например 7 А·ч от источника бесперебойного питания. Как правило, такие аккумуляторы есть в арсенале мастера.
2. Проверьте наличие опорного напряжения 8 В. 
3. Подключите к входу контроллера регулируемый источник 10-24 В с током до 2 А через сопротивление 5 Ом, имитируя подключение солнечной батареи.
4. Медленно поднимая напряжение, контролируйте состояние выхода компаратора U1-1. Если при напряжении, равном номинальному напряжению панели, например 17.2 В, с которой будет использоваться контроллер, на выходе U1-1 все еще будет высокий потенциал, регулируем R5 до возникновения автоколебаний. 
5. Далее контролируя напряжение на конденсаторе С1 и увеличивая входное напряжение, убеждаемся, что напряжение на конденсаторе С1 остается неизменным и равным номинальному напряжению солнечной панели. При помощи осциллографа убедитесь, что форма сигнала на стоке Q3 близка к показанной на Рисунке 3. 
6. Напряжение на аккумуляторе начнет расти. Когда оно достигнет 14.5 В, прекратите настройку, отключите аккумулятор и источник питания. Восстановите соединение выхода компаратора U1-2 с элементами схемы. 
7. Подключите аккумулятор и источник питания. Если форма импульсов изменилась, и ток заряда резко упал, регулируйте R10 до тех пор, пока изменение ограничения зарядного тока не будет наступать при напряжении на заряжаемом аккумуляторе 14.4 В.

Рисунок 3.	Форма сигнала на стоке MOSFET Q3.

На этом настройка может считаться законченной.

Шаг 1: Расчет нагрузки

Прежде, чем выбрать компоненты, необходимо рассчитать нагрузку приборов, которые будут подключаться к вашей солнечной электростанции и сколько времени они будут работать. Для этого нужно сделать следующее:

1. Определите, какую технику (освещение, вентилятор, телевизор, насос и т.д.) вы будете подключать, и сколько времени (часов) она будет работать;
2. Ознакомьтесь со спецификациями ваших приборов для определения их мощности;
3. Рассчитайте величину потребляемого электричества в Ватт-часах (Вт*ч), которая равна произведению номинальной мощности ваших приборов (Вт) на время работы (ч).

Например Вы хотите включить какой-то прибор мощностью 10 ватт на 5 часов от солнечной панели. Количество потребленной электроэнергии будет: 10Вт х 5ч = 50Вт*ч. Таким же образом необходимо рассчитать общую величину потребляемой энергии, а именно рассчитать для каждого прибора и сложить полученные величины.

Пример: настольная лампа = 10Вт х 5ч = 50 Вт*ч + вентилятор = 50Вт х 2ч = 100Вт*ч, телевизор = 50Вт х 2ч = 100 Вт*ч, всего = 50 + 100 + 100 = 250 Вт*ч.

Когда закончите расчет нагрузки, пора приступать к выбору компонентов в соответствии с вашим требованием нагрузки.

Техника для освещения и украшения ландшафта

Светильник на солнечных батареях – отличный выбор для любого частного жилья. И хотя покупка таких источников света, скорее всего, обойдется дороже обычных фонарей, все это окупится не только за счет экономии электроэнергии, но и благодаря отсутствию проводов.

Газонные светильники на солнечных батареях

В списке светильников с солнечными батареями, подходящих для размещения на участке, можно встретить разные модели:

• Устанавливаемые на столбах фонари, предназначенные для освещения газонов и дорожек – такие как модель Oasis Light P9011-1003 –SP с поворотным модулем.
• Подвесные и настенные источники света типа Smart Home MFYH54B. Применяются обычно в качестве декоративного освещения.
• Компактные газонные модели, лампа у которых находится на небольшом расстоянии от земли (в основном светодиодные, как TDM ЕLECTRIC СС-298). Иногда даже не требуют специальной установки, а просто втыкаются в грунт.
• Встроенные источники света, с помощью которых могут освещаться дорожки, площадки и даже ступени. Одна из таких моделей – НайтЛайт-8, комплект из 4 «накладок» для садовой лестницы, позволяющих не споткнуться в темноте.
• Светильники-гирлянды. Техника, к которой относится и модель Uniel USL-S-122/PT5000 Milkyway, позволяет украсить деревья, кустарники, веранды или беседки.

Плавающий фонарь Bestway 58111 на солнечной батарее 

Для украшения сада или приусадебного участка можно использовать декоративные светильники, изображающие сказочных персонажей, людей или животных. Также в продаже можно найти «солнечные» лампы, имитирующие камни. А при наличии бассейна или пруда их могут освещать плавающие фонари, такие как модель Bestway 58111.

Виды солнечных батарей

В состав солнечных батарей входят фотоэлементы, изготовленные из разных материалов. Они могут строиться на основе:

• кремния;
• германия;
• арсенид-галлия;
• селена;
• сложных полимеров;
• органических соединений.

Наибольшую популярность получили элементы солнечных батарей, изготавливаемые на основе кремния. Панели из этого материала обладают самым высоким соотношением КПД/стоимость. В свою очередь, кремниевые фотоэлектрические преобразователи делятся на:

• монокристаллические;
• поликристаллические (мультикристаллические);
• аморфные.

Кратко рассмотрим каждый из этих видов.

Монокристаллические

Элемент этого типа, как несложно догадаться из названия, представляет собой тонкий срез одного, но очень большого кристалла кремния. Монокристаллические элементы отличаются довольно высоким (до 25%) КПД, но стоят относительно дорого – вырастить кристалл таких размеров и нужной чистоты, а потом и «распилить» его непросто. Монокристаллический модуль имеет равномерный серый или темно-синий цвет.

Поликристаллические

Элементы этого типа получают путем расплава и медленного охлаждения кремния. В результате образуется пластина, содержащая в себе огромное количество маленьких кристаллов. Мощность каждого из них невелика, но в пластине они работают в параллель и обеспечивают вполне приличные токи. Модули на основе поликристаллов стоят намного меньше монокристаллических, но имеют меньший КПД (обычно не более 18%). Модуль на основе поликристаллов имеет характерный синий или темно-синий цвет с явно выраженной зернистой структурой.

Тонкопленочные модули из аморфного кремния

Такие модули изготавливают путем напыления слоя полупроводника на стекло или полимерную подложку. При этом толщина напыления обычно составляет тысячные миллиметра. Благодаря малому расходу материалов и хорошей технологичности аморфные элементы намного дешевле даже поликристаллических. Кроме того, если в качестве подложки используется полимерная пленка, то такую батарею можно буквально свернуть в трубочку и легко уложить на неровную поверхность.

Платой же за все эти преимущества является низкий – всего 5-8% – КПД. Аморфный модуль имеет равномерный красно-коричневый или черный цвет. Ну а если он выполнен из пленки, то, конечно, легко гнется.

Из чего можно сделать гелиопанель в домашних условиях

Несмотря на все преимущества батарей промышленного производства, главным их недостатком является высокая цена. Этой неприятности можно избежать, изготовив простейшую панель своими руками из подручных материалов.

Из диодов

Диод — это кристалл в пластиковом корпусе, выступающем в роли линзы. Она концентрирует солнечные лучи на проводнике, в результате возникает электрический ток. Соединив между собой большое количество диодов, получаем солнечную батарею. В качестве платы можно использовать картон.

Проблема в том, что мощность полученной энергии мала, для выработки достаточного количества понадобится огромное количество диодов. По финансовым и трудозатратам такая батарея намного превосходит заводскую, а по мощности сильно ей уступает.

Кроме того, выработка резко падает при уменьшении освещённости. Да и сами диоды ведут себя некорректно — нередко возникает самопроизвольное свечение. То есть сами же диоды потребляют произведённую энергию. Вывод напрашивается сам: неэффективно.

Из транзисторов

Как и в диодах, главный элемент транзистора — кристаллик. Но он заключён в металлический корпус, не пропускающий солнечный свет. Для изготовления батареи крышка корпуса спиливается ножовкой по металлу.

Батарею небольшой мощности можно собрать из транзисторов

Затем элементы крепят к пластине из текстолита или другого материала, подходящего на роль платы, и соединяют между собой. Таким способом можно собрать батарею, энергии которой достаточно для работы фонарика или радиоприёмника, но большой мощности ожидать от такого устройства не стоит.

Но в качестве походного источника энергии небольшой мощности вполне подойдёт. Особенно если вас увлекает сам процесс создания и не очень важна практическая польза от результата.

Умельцы предлагают использовать в качестве фотоэлементов CD-диски и даже медные пластины. Портативную зарядку для телефона несложно изготовить из фотоэлементов от садовых фонариков.

Лучшим решением будет покупка готовых пластин. Некоторые интернет-площадки продают модули с небольшим производственным браком по приемлемой цене, они вполне пригодны для использования.

Способы монтажа бытовых гелиоустановок

В установке солнечных батарей нет ничего сложного. Самое главное — грамотно разместить модули

При монтаже важно придерживаться определенного угла наклона, который должен соответствовать географической широте местности. В процессе установки нужно также соблюдать азимут

Для северо-восточных он составляет 180 градусов.

Зимой КПД электростанции с солнечными батареями может упасть до минимальных значений, поскольку обильные снегопады будут препятствовать попаданию лучей солнца на наружную поверхность фотоэлектрических элементов

Поэтому при монтаже важно учесть, что на крыше потребуется свободное место для очистки конструкции от налипшего снега и грязи. Впрочем, этих хлопот можно избежать, если зафиксировать солнечные панели на поверхности южной стены под углом 60–80 градусов

На практике для коттеджей применяют разные варианты расположения фотоэлектрических модулей:

1. кровля — дополнительно потребуется установка надежной опорной конструкции из металлопрофилей или направляющих рельс;
2. стены — в данном случае на фасад здания монтируется рамная система для удержания фотопанелей «на весу»;
3. приусадебная территория — альтернативный вариант расположения батарей, когда кровля дома сильно затенена или не рассчитана на дополнительную нагрузку.

Свободное размещение имеет множество преимуществ, но требует наличия достаточного пространства на приусадебном участке. Чтобы автоматизировать процесс наклона и движения фотоэлектрических панелей по ходу солнца, дополнительно рекомендуется использовать специальные шарнирные конструкции с электроприводом.

Окупаемость и срок эксплуатации

Применение солнечных батарей позволит сэкономить на освещении и отоплении, независимо от времени года. Самые большие показатели энгергоэффективности гелиосистемы демонстрируют в южных широтах, где количество солнечных дней преобладает. Это и неудивительно, так как обязательным условием высокопродуктивной работы электростанции является стабильное поступление инфракрасного излучения и видимого света на поверхность фотоэлектрических элементов.

По статистике, солнечные батареи для частного дома мощностью 4–5 кВт при постоянном использовании окупают себя за 8–10 лет, после чего работают впрок. При этом срок эксплуатации составляет в среднем 20-25 лет, а вот аккумуляторные батареи придется менять через каждые 5-6 лет. Многим такие сроки окупаемости покажутся большими, но в действительности оно того стоит, учитывая, что в скором времени ископаемых ресурсов на планете практически не останется, а стоимость одного киловатта электроэнергии возрастет в разы.

Правила установки

Максимальная мощность панели достигается в положении, при котором солнечные лучи падают перпендикулярно. Это необходимо учитывать при установке

Важно также учесть, в какое время суток минимальная облачность. Если угол наклона крыши и ее положение не соответствуют требованиям, то оно исправляется регулировкой основания

Между батареей и крышей должен быть воздушный зазор 15–20 сантиметров. Это необходимо для протекания дождя и предохранения от перегрева.

Фотоэлементы плохо работают в тени, поэтому следует избегать располагать их в тени от зданий и деревьев.

Электростанции из солнечных фотоэлементов – это перспективный экологически чистый источник энергии. Их широкое применение позволит решить проблемы с нехваткой энергии, загрязнением окружающей среды и парниковым эффектом.

Предыдущая
Альтернативные источникиКак правильно осуществить установку солнечных батарей

Спасибо, помогло!Не помогло

Технология изготовления

Вначале следует спаять фотоэлементы между собой. Если вы купили элементы с металлическими выступами, то тогда можно просто спаять ушки батарей между собой. Делать это нужно очень внимательно и аккуратно. После пайки соединенные компоненты необходимо приклеить к подложке в верхней части панели. Это лучше сделать при помощи специального силиконового клея, который никак не препятствует проникновению солнечных лучей. Кроме того, он способствует нормальному теплообмену. Однако, не переусердствуйте с клеем, так как это может привести к повреждению батарей. Клеить нужно только центр клеток. Далее все элементы нужно соединить с проводом, который подается в одной из заранее предусмотренных вентиляционных отверстий. Для закрепления провода к солнечным элементам лучше использовать силиконовую замазку. Интересное: Солнечная панель своими руками.

На следующем этапе поверх панелей устанавливается оргстекло. Однако, до этого следует подключить диод Шоттки от чувствительных теплопроводящих компонентов. Этот диод послужит блокирующим устройством, которое защитит фотоэлементы при перепадах напряжения. Кроме того, диод Шоттки будет отключать питание системы при маленькой мощности электросети. Так аккумуляторы, заряжаемые от солнца, не будут разряжаться при прекращении питания. Когда диод будет подключен, можно ставить оргстекло и закреплять его винтами. Технология изготовления солнечных панелей является достаточно простой и понятной

Единственное, важно правильно соблюдать последовательность соединения, иначе вся система не будет работать

https://youtube.com/watch?v=3apKOZn-_B4

Как работает солнечная батарея

Принцип работы солнечной батареи основан на наличии полупроводника в виде двух пластин, соединенных друг с другом. Каждая пластина изготавливается из кремния с использованием дополнительных примесей. Благодаря этому пластины обладают своими уникальными свойствами. Первая из них имеет избыток валентных электронов, а вторая имеет недостаток этих электронов. Эти полупроводники получили название n и p. Если эти полупроводники соединить в единое целое, то можно получить PN-переход в месте контакта между ними. В то время, когда на батарею попадают прямые солнечные лучи, на обеих сторонах этого перехода начинают накапливаться положительные и отрицательные плавающие нагрузки. В результате генерируется напряжение и возникает магнитное поле. Если подсоединить к такому элементу провод, по нему потечет электричество.

Как подключить солнечную батарею

Как только вы изготовите солнечную панель, можно начинать заниматься ее подключением. Можно не подключать ее напрямую к сети, чтобы избежать потерь электроэнергии. То есть, желательно установить автономную систему с аккумуляторами. Они будут заряжаться от солнечных батарей каждый день и быстро разряжаться. При этом, глубина разрядки может быть довольно существенной. Поэтому, аккумуляторы могут быстро выйти из строя. Для того, чтобы этого не произошло, лучше оставить подключение к сети через гибридный батарейный инвертор. Это устройство будет отдавать фотоэлементам приоритет при распределении нагрузки. Инвертор не будет отдавать излишки электроэнергии в сеть, а будет передавать ее на аккумуляторы. Такой вариант является одним из наиболее оптимальных. Эта система состоит из гибридного инвертора, контроллера заряда солнечных панелей и аккумуляторов. Такой механизм сможет работать не только как основная, но и как резервная система электропитания.