Солнечные батареи: 3 вида

Принцип работы солнечной батареи

Передовые технологии

Ошибка №2
Гонка за инновациями.

Типичный покупатель солнечной электростанции в магазине после просмотра десятка роликов по тематике в ютубе — “А у вас есть мощные панели 500-550-600Вт? А еще трекинговая система, а еще чтобы панели были двухсторонние, безрамочные и только американского производителя?”

Для 90% рядовых пользователей все это лишнее. Покупайте только надежные, проверенные временем бренды.

Как их подобрать расскажем дальше. Упор в статье сделаем именно на панелях. Подробно осветить все нюансы по аккумуляторам, инверторам, контролерам, методам крепежа, в одной статье просто нереально.

Пиковая нагрузка и среднесуточное энергопотребление

Количество зависит от нескольких критериев. Например, мощность сети электропотребления и расположение модуля. На основании этого подбирается инвертор. Количество панелей также напрямую зависит от региона – чем меньше поступает радиации на поверхность, тем выше суммарная площадь панелей.

Для этого необходимо рассчитать количество пиковых часов за сутки (время, при котором уровень солнечной энергии не падает ниже отметки в 1000 Вт/м2). Затем на основании полученных расчетов определяется суммарную мощность электростанции, в зависимости от мощности одного фотоэлемента за время пиковой нагрузки.

Посмотрите обучающие видео: Как вычислить мощность солнечной системы для частного дома?

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.

Батареи из теллурида кадмия – одни из самых выгодных по себестоимости киловатта электроэнергии.

Кстати! Эффективность того или иного варианта зависит от технологии производства, поэтому ее нужно уточнять.

Солнечная батарея своими руками

Те, кто хочет сэкономить, задумываются, как сделать солнечную батарею в домашних условиях самостоятельно, чтобы она обладала необходимыми эксплуатационными параметрами и полностью обеспечивала энергетические потребност. Это особенно актуально для мест отдаленных от главных артерий цивилизации.

Солнечные батареи своими руками в домашних условиях изготавливаются из соответствующих элементов, которые можно купить в открытом доступе в специализированных компаниях или через интернет магазины. Если кремниевые пластины должны приобретаться у производителей, то остальные элементы, такие как лента, рамка, пленка, стекло, припой и прочее можно вполне обнаружить и дома в хозяйстве.

Солнечная батарея своими руками из подручных средств изготавливается некоторыми умельцами из медных листов, зажимов, мощных электроплит, соли и из других материалов. Такие кустарные устройства не смогут полностью обеспечить необходимой электроэнергией и могут использоваться лишь в небольших масштабах.

Лучше всего солнечные батареи купить у производителя, поскольку они обладают гарантией и необходимыми функциональными и эксплуатационными параметрами, и, значит, не подведут. Производство солнечных батарей базируется на применении новейших технологий, которые постоянно развиваются, предлагая более усовершенствованные модели. В зависимости от размеров устройств, они могут использовать для различных целей в местах, где нет снабжения электроэнергией. Они встречаются на калькуляторах, часах, различных мобильных устройствах.

Так, например, рюкзак с солнечной батареей будет незаменимым помощником тех, кто любит путешествовать с комфортом. Он накопит достаточно энергии, чтобы зарядить фонарик для освещения туристической палатки или чтобы во время похода заряжать необходимые гаджеты. Судя по отзывам, солнечные батареи используются часто и с удовольствием для удовлетворения разнообразных нужд не только на природе, но и в быту.

Современные устройства со встроенными солнечными модулями

Power bank с солнечной батареей – внешний накопитель с фотоэлементами для преобразования солнечных лучей в заряд аккумулятора. Он обладает несколькими портами и предназначен для зарядки смартфонов или планшетов. Это незаменимое устройство для тех кто, много времени тратят в дороге и пользуются гаджетами. Устройство, зависимо от модели может дополняться различными функциями, как, к примеру, фонариком.

Робот конструктор – наборы с различными элементами, из которых можно собрать несколько конструкций, которые двигаются автономно. Это лучшая игрушка для любознательных детей. Робот конструктор на солнечной батарее купить интересно будет не только малышам, но и вполне взрослым дяденькам, поскольку захватывающим является не только движение робота, но и сам процесс сборки.

Уличные садовые светильники на солнечных батареях – идеальное решение для сада, огорода или приусадебного участка. Благодаря накопленному заряду они будут светиться всю ночь. Для этого не нужно прокладывать специальную проводку. Их можно брать с собой на рыбалку или семейный поход. Чрезвычайная мобильность, компактность и удобство делают фонари самыми востребованными изделиями на солнечных батареях.

Возможности эксплуатации настолько разнообразны, а технологии так быстро развивается, что скоро солнечные модули охватят все сферы жизни современного человека.

Что влияет на энергоэффективность солнечных панелей?

 Энергоэффективность – важный показатель солнечных панелей. Для примера, один фотоэлемент (одна пластина) способен при солнечной погоде произвести энергию, которой будет достаточно лишь для зарядки карманного фонарика. Поэтому когда речь идет о более серьезных масштабах генерирования электроэнергии, ФЭПы обычно объединяют в цепи (параллельное соединение – для увеличения напряжения, последовательное – для увеличения силы тока). Их количество и структура во многом определяют  энергоэффективность панелей. Кроме того, на энергоэффективность гелиопанелей влияет такие факторы:

• мощность светового потока;
• угол падения солнечных лучей;
• правильный подбор сопротивления нагрузки;
• температура окружающего воздуха и самой панели;
• отсутствие или наличие антибликового покрытия элементов.

Например, солнечный элемент и сама панель во время работы постепенно нагреваются. Та часть энергии, которая не пошла на производство электрического тока, трансформируется в тепло. Поэтому часто температура на поверхности панели может достигать значений более 50Сº. Однако чем выше температура поверхности, тем хуже работает фотоэлемент.  Это значит, что одна и та же панель в разную погоду работает по-разному: менее эффективно в жару, и более эффективно в холод, а максимальную эффективность показывает в солнечный морозный день.

Количество элементов и напряжение

Срок службы комплектующих

Так как солнечные батареи являются достаточно молодой технологией, то некоторые данные о сроке службы их компонентов могут быть примерными. Например, панели – на них производители обычно дают гарантию 10 лет. При этом, известно, что в первые 10 лет работы выработка электроэнергии панелью падает на 10 %, что прямо указывается в гарантийных обязательствах. Срок службы панелей предполагается 25-30 лет и по прошествии этого времени выработка падает на 20 % от первоначальной. То есть, за 25-30 лет панель теряет всего лишь пятую часть мощности и продолжает работать.

Разумеется, современные производители не имеют возможности подождать четверть века, чтобы точно выяснить, как будут вести себя солнечные панели, поэтому, вынуждены использовать специальные методы исчисления. Но один факт зафиксирован чётко – самая первая солнечная панель была запущена в работу 60 лет назад и работает до сих пор. При этом, падение её мощности составляет не больше чем 30 %.

Одна из первых современных солнечных панелей – до сих пор работаетИсточник dailymail.co.uk

Гарантия на инверторы от известных производителей составляет порядка 10 лет, а срок службы уже зависит от правильного использования устройства. Если нет регулярных перегрузок или скачков напряжения, то качественный инвертор может проработать не меньше солнечных панелей.

«Самое слабое звено» солнечных батарей – это аккумуляторы. Гарантия на эти устройства колеблется от 2 до 5 лет, а предполагаемый срок службы зависит от количества циклов разряда/заряда, но для современных устройств составляет 10-12 лет.

Как итог, если не случится каких-либо форс-мажорных обстоятельств, то солнечная батарея прослужит как минимум 25 лет. Если выбрана комплектация с аккумуляторами, то примерно через 10-12 лет их придётся заменить. Но к этому времени оборудование обычно окупается, плюс, панели и инвертор продолжают работать.

В большинстве случаев, солнечные батареи предпочитают комплектовать необслуживаемыми аккумуляторамиИсточник al-energy.ru

Недостатки солнечных батарей

К сожалению, и этот практически неисчерпаемый источник энергии имеет определенные ограничения и недостатки:

• Высокая стоимость оборудования – автономная солнечная электростанция даже небольшой мощности доступна далеко не каждому. Оборудование частного дома такими аккумуляторами стоит недешево, но помогает снизить расходы на оплату коммунальных услуг (электроэнергии).
• Обустройство собственного жилища солнечными батареями потребует финансовых затрат.
• Периодичность генерации — солнечная электростанция не способна обеспечить полноценную бесперебойную электрификацию частного дома.

• Хранения энергии – в солнечной электростанции аккумуляторная батарея является самым дорогим элементом (даже батареи небольшого объема и панели на гелевой основе).
• Низкий уровень загрязнения окружающей среды – солнечная энергия считается экологически чистой, однако производственный процесс батарей сопровождается выбросами трифторида азота, оксидов серы. Все это создает «парниковый эффект».
• Использование в производстве редкоземельных элементов – тонкопленочные солнечные панели имеют в своем составе теллурид кадмия (CdTe).
• Плотность мощности – это количество энергии, которое можно получить с 1 кв. метра энергоносителя. В среднем этот показатель составляет 150-170 Вт/м2. Это гораздо больше по сравнению с другими альтернативными источниками энергии. Однако несравнимо, ниже чем у традиционных (это касается атомной энергетики).

Разновидности солнечных панелей

Характеристики солнечной панели

Пиковая нагрузка и среднесуточное энергопотребление

Количество солнечных батарей и емкостью аккумулятора зависит от нескольких критериев. Например, мощность сети электропотребления и расположение модуля. На основании этого подбирается инвертор. Количество панелей также напрямую зависит от региона – чем меньше поступает радиации на поверхность, тем выше суммарная площадь панелей.

Для этого необходимо рассчитать количество пиковых часов за сутки (время, при котором уровень солнечной энергии не падает ниже отметки в 1000 Вт/м2). Затем на основании полученных расчетов определяется суммарную мощность электростанции, в зависимости от мощности одного фотоэлемента за время пиковой нагрузки.

Посмотрите обучающие видео: Как вычислить мощность солнечной системы для частного дома?

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 солнечные батареи имеют КПД 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.

Выбираем солнечные панели для частного дома

Автономные электростанции на солнечных модулях

Такие СЭС нужны для обеспечения электричеством домов, которые по каким-либо причинам не могут быть подключены к центральной сети. Они могут выступать как самостоятельные источники энергии, так и использоваться совместно с электрогенераторами.

Ток, вырабатываемый солнечной электростанцией в светлое время суток поступает на приборы и заряжает аккумуляторную батарею. В условиях недостаточной освещённости или в темное время суток расходуется заряд аккумулятора.

Схема подключения автономной системы

Помимо постоянного снабжения электричеством домов, которые не подключены к общей сети, такие электростанции могут помочь сократить время работы генераторов (при их наличии), продлить амортизационный ресурс, увеличить сроки между обязательными техническими обслуживаниями (ТО) и снизить расход топлива.

Плюсы и минусы

Помимо высокой цены, недостатком является и необходимость периодической замены аккумуляторных батарей. Частота смены аккумулятора зависит от интенсивности использования и режима работы, соблюдения рекомендаций производителя по глубине предельного разряда и по температурным режимам в ходе эксплуатации

При выборе солнечных электростанций нужно обратить внимание на такие характеристики, как:

• тип батареи;
• ёмкость батареи;
• количество циклов заряда/разряда;
• рекомендованные температуры внешней среды, оптимальные для работы аккумуляторной батареи, и возможность их соблюдения владельцем на практике.

Солнечные электростанции

Сетевые солнечные электростанции

Автономные солнечные электростанции

Гибридные/универсальные солнечные электростанции

Резервное электроснабжение на базе АКБ с функцией ИБП

Свинцово-кислотные аккумуляторы – для тех, кто ищет баланс между ценой и качеством. Такие батареи больше всего подходят для работы в буферных режимах, как резервный источник электроэнергии, но могут эксплуатироваться и в цикличном режиме (ежедневный заряд и разряд). Частота замены таких аккумуляторов в системе автономной СЭС при использовании в буферном режиме – один раз в 6-10 лет, в цикличном – один раз в 2-2,5 года.

В автономной солнечной электростанции из комплекта «Расширенный» от Мосэнергосбыт используются аккумуляторные батареи со связанным в геле электролитом. Максимальный срок службы такой батареи 10 лет, оптимальная температура окружающей среды для эксплуатации +15-20 °C.

Стоит заметить, что гелевые АКБ являются необслуживаемыми и не выделяют в процессе своей работы никаких газов, что очень важно для безопасной эксплуатации аккумуляторов в жилых помещениях

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.

Технические характеристики: на что обратить внимание

Применение солнечных батарей

Кроме космонавтики и обеспечения частных домов электроэнергией, панели или батареи солнечные применяют в следующих сферах:

• Автомобилестроение. Экологичный транспорт приобретает популярность, ведь выхлопы бензина и газов загрязняют атмосферу, а цены на топливо постоянно растут. Машины на солнечной энергии способны развивать скорость до 140 км/ч.
• Эксплуатация водного транспорта (барж, катеров, яхт). Такой транспорт можно встретить в Турции. Лодки развивают небольшую скорость (до 10 км/ч), и это позволяет туристом осмотреть достопримечательности и роскошные пейзажи этой страны.
• Энергообеспечение зданий. В развитых странах Европы многие муниципальные здания и сооружения полностью обеспечивают свои нужды с помощью энергии, которую выделяют солнечные панели.
• Самолетостроение. Благодаря наличию батарей, самолет в полете может длительное время не расходовать топливо.

Отрасль постоянно развивается. Уже изобрели зарядки для телефонов и ноутбуков, работающие от энергии Солнца.

Принцип работы

Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.

При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.

Контроллер MPPT или PWM?

Между солнечной панелью и АКБ для контроля уровня заряда батареи и выдачи заданного напряжения устанавливают контроллер.

Ошибка №19 Приобретение малоэффективного PWM или ШИМ контроллера.

Берите только MPPT. Благодаря ему вы сможете “высосать” из солнечной батареи максимум возможного.

PWM наоборот при абсолютно одинаковых условиях ограничивает выдаваемую мощность на 20-30%. Почему так происходит?

Вот самое понятное и наглядное объяснение, что есть в сети.

https://youtube.com/watch?v=-b7TDtjR0S4%3F

Кроме того, через MPPT контроллеры можно спокойно подключать к системе большие сборки солнечных панелей на напряжение 12V-24V.

Объединив их в так называемые “стринги” (последовательно подключенная цепочка), суммарно можно будет передавать с крыши напряжение свыше 100В. Главное, чтобы ваш контроллер был на это рассчитан.

С такой “напругой” потери в проводах снизятся до минимума, а MPPT просто преобразует данное напряжение до необходимого уровня подзарядки АКБ.

Ну а лучшее решение – это комбинированный гибридный инвертор. Он в своей сборке сразу содержит MPPT контроллер и инвертор.

Еще он умеет подключаться параллельно к сети 220В и в автоматическом режиме добавлять недостающие киловатты (функция “подмешивания”). Это когда солнечная станция и батареи не справляются с нагрузкой.

В нормальном режиме источник постоянного тока (АКБ) для него приоритетнее. Из сети он ничего брать не будет.

При этом не путайте, не все гибридные инверторы всеядны и одновременно совместимы с ветрогенераторами. Для одновременной работы СЭС и ветряка нужно подбирать специальные модели.

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».