Солнечные батареи для дома, дачи и пр.
Солнечная батарея — это сборка фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, и устанавливаемых на одной раме (конструкции, каркасе).
Солнечные батареи, их преимущество и перспективы использования
Фотоэлемент, как центральный элемент солнечной батареи
КПД фотоэлектрических элементов
Основные типы солнечных батарей, производимых на основе кремния
Схема подключения солнечных батарей
Солнечные батареи (солнечные панели), их преимущество и перспективы использования:
Солнечная батарея (солнечная панель) — это сборка (объединение) фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, и устанавливаемых на одной раме (конструкции, каркасе).
Солнечную батарею необходимо отличать от других устройств, преобразующих энергию Солнца, например, от солнечных коллекторов. Последние преобразуют солнечную энергию в тепловую энергию и производят нагрев материала-теплоносителя. Солнечные батареи (солнечные панели) в отличие от других устройств преобразовывают солнечный свет напрямую в электричество, без каких-либо промежуточных преобразований.
Они (солнечные батареи) более адаптируемы, чем другие типы технологий преобразования и использования солнечной энергии. Они могут быть помещены на крыши и стены зданий, на машины, дороги, рекламные щиты и пр.
Использование солнечных панелей дает следующие преимущества: они не создают шум; не требуют много усилий для обслуживания; надежны; работают в разных диапазонах температур от –40 до 70 оC; могут быть сделаны различных размеров; обеспечивают гибкость в конструировании солнечных электростанций и пр.
Чтобы оценить потенциал солнечной энергии, необходимо знать, что солнечная энергия, излучаемая Солнцем и получаемая Землей за 1 час, позволила бы (если бы она была преобразована в полном объёме в электрическую энергию) обеспечить энергетические потребности всего человечества в течение года. Теоретически, квадрат из солнечных панелей длиной стороны 344 км (118 336 км2) может обеспечить все глобальные потребности человечества в электроэнергии. И это при том, что КПД фотоэлектрической установки составляет в среднем порядка 16-19 %.
Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий. Мощность больших солнечных панелей обычно составляет от 100 до 365 Вт.
Производительность солнечной панели варьируется в зависимости от времени суток, количества солнечной инсоляции, направления и наклона модулей, угла падения солнечных лучей, облачности, затенения, величины электрического заряда, температуры окружающей среды и самой панели, географического положения и дня года. В идеале солнечные лучи должны постоянно попадать на солнечную панель под углом в 90 градусов. Эффективность работы солнечной батареи падает даже в ясную погоду, если угол начинает отличаться от 90 градусов, а так же при попадании малейшей тени на фотоэлектрические элементы.
Эффективность преобразования солнечного света солнечными батареями снижается за счет пыли, грязи, пыльцы растений и других твердых частиц, которые накапливаются на панели. Грязная солнечная панель может снизить свои энергетические возможности до 30 %.
Другим фактором снижающим эффективность солнечных батарей является их сильный нагрев солнечными лучами. Так, если средний КПД солнечной батареи составляет порядка 16-19 %, то остальные 84-81 % энергии солнечного света нагревают солнечные батареи до средней температуры около 55 °C. С увеличением температуры фотоэлектрического элемента на 1 оС, его эффективность падает на 0,5 %. Эта зависимость нелинейна и повышение температуры элемента на 10 оС приводит к снижению эффективности почти в два раза.
К сожалению, солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в вечерних сумерках (в то время как пик электропотребления приходится именно на вечерние часы), а для производства значительного количества электрической энергии необходимо задействовать большие площади.
Фотоэлемент – фотоэлектрический преобразователь, как центральный элемент солнечной батареи:
Центральным элементом солнечной батареи является фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.
Фотоэлементы подразделяются на электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Их действие основано либо на фотоэлектронной эмиссии (внешнем фотоэффекте), либо внутреннем фотоэффекте, либо вентильном (барьерном) фотоэффекте.
Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений, например, фотонов. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Внешний фотоэффект наблюдается в твёрдых телах (металлах, полупроводниках и диэлектриках), а также газах (фотоионизация).
Внутренним фотоэффектом называется возрастание электропроводности вещества (наблюдается, как правило, у полупроводников и диэлектриков) и уменьшение его сопротивления под действием электромагнитных излучений, например, в результате облучения вещества видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные, без вылета наружу.
В отличие от внешнего фотоэффекта во внутреннем фотоэффекте электроны, остаются в теле вещества (полупроводника или диэлектрика), но изменяют в нём своё энергетическое состояние и увеличивают концентрацию носителей зарядов в веществе. Так, при поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Концентрация носителей заряда приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика) или возникновению электродвижущей силы.
Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный (барьерный) фотоэффект. Вентильный (барьерный) фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое – это явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит). Вентильный (барьерный) фотоэффект – это возникновение электродвижущей силы под действием света в области p–n перехода. Вентильный (барьерный) фотоэффект возникает в неоднородных (по химическому составу или неоднородно легированных примесями) полупроводниках, а также у контакта полупроводник-металл (при отсутствии внешнего электрического поля).
При поглощении полупроводником фотона освобождается дополнительная пара носителей – электрон и дырка, которые движутся в разных направлениях: дырка в сторону полупроводника p-типа, а электрон в сторону полупроводника n-типа. В результате в полупроводнике n-типа образуется избыток электронов, а в полупроводнике p-типа – избыток дырок. Возникает разность потенциалов – фото-ЭДС и электрический ток. По мере увеличения разности потенциалов фототок постепенно возрастает, т.к. все большее число электронов достигает анода.
Вентильные фотоэлементы в отличие от других фотоэлементов не требуют при работе источника тока, т.к. сами являются источником тока. Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования световой энергии в электрическую. Действие солнечных батарей основано на использовании вентильного фотоэффекта – возникновении электродвижущей силы в p–n переходе под действием света.
Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи, имеющие неоднородные полупроводниковые структуры. Неоднородность структуры фотоэлемента может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов), или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.
КПД фотоэлектрических элементов (фотоэлементов):
КПД производимых в промышленных масштабах полупроводниковых фотоэлементов в среднем составляет 16-19 %, у лучших образцов – до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнуты фотоэлементы с КПД порядка 44-45 %.
Ниже в таблице приводится КПД некоторых фотоэлектрических элементов, произведенных на основе различных материалов.
Таблица 1.
Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях
| Тип | Коэффициент фотоэлектрического преобразования, % |
| Кремниевые | 24,7 |
| Si (кристаллический) | |
| Si (поликристаллический) | |
| Si (тонкопленочная передача) | |
| Si (тонкопленочный субмодуль) | 10,4 |
| Si (аморфный) | 9,5 |
| Si (нанокристаллический) | 10,1 |
| На основе арсенида галлия и т.п. | |
| GaAs (кристаллический) | 25,1 |
| GaAs (тонкопленочный) | 24,5 |
| GaAs (поликристаллический) | 18,2 |
| InP (кристаллический) | 21,9 |
| Тонкие плёнки халькогенидов | |
| CIGS (фотоэлемент) | 19,9 |
| CIGS (субмодуль) | 16,6 |
| CdTe (фотоэлемент) | 16,5 |
| Фотохимические | |
| На базе органических красителей | 10,4 |
| На базе органических красителей (субмодуль) | 7,9 |
| Органические | |
| Органический полимер | 5,15 |
| Многослойные | |
| GaInP/GaAs/Ge | 32,0 |
| GaInP/GaAs | 30,3 |
| GaAs/CIS (тонкопленочный) | 25,8 |
| a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль) | 11,7 |
Такие огромные потери полупроводниковых фотоэлементов (невысокий КПД преобразования солнечного света в электрическую энергию) вызваны отражением солнечного излучения от поверхности фотоэлектрического преобразователя; прохождением части солнечного излучения через фотоэлемент без поглощения в нём; рассеянием избыточной энергии фотонов на тепловые колебания кристаллической решётки; рекомбинацией образовавшихся пар носителей зарядов; внутренним сопротивлением самого фотоэлемента и другими физическими процессами.
Повышение КПД фотоэлементов возможно за счет:
– использования полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны (например, полупроводников из иных материалов нежели кремний: материалов на основе комплексных галогенидов сурьмы и висмута и пр.);
– направленного улучшения свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
– перехода от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
– оптимизации конструктивных параметров фотоэлектрического преобразователя (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
– применения многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту фотоэлемента от космической радиации;
– разработки фотоэлементов, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
– создания каскадных фотоэлементов из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;
– создания фотоэлектрических преобразователей с двухсторонней чувствительностью (добавляют дополнительные 80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны);
– применения люминесцентно-переизлучающих структур;
– использования линз Френеля,
– предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным фотоэлементами;
– использования различных нанослоев и нанопокрытий фотоэлементов и т.д.;
– установки солнечных батарей на понтонах, плавающих на поверхности воды и привязанных ко дну водоёма (т.н. плавающие солнечные батареи).
Основные типы солнечных батарей (солнечных панелей):
Солнечные батареи (солнечные панели) делятся на три основных типа:
– монокристаллические;
– поликристаллические;
– тонкопленочные.
Монокристаллические солнечные панели создаются на основе монокристаллов кремния, арсенида галлия и др. материалов. Такие панели являются более эффективными и надежными в работе. Они имеют длительный срок службы, а сами фотоэлементы, из которых они состоят, со временем практически “не выгорают”.
Солнечные панели, сделанные из поликристаллических ячеек, имеют меньшую эффективность работы, но со временем все больше становятся конкурентоспособными монокристаллическим. Панели из поликристаллического кремния имеют ограниченный срок службы, т.к. поликристаллический кремний имеет тенденцию к “выгоранию”.
Тонкопленочные солнечные панели – это новое направление в солнечной энергетике. Данные панели имеют такое название, потому что при их создании фотоэлектрическая смесь распыляется на тонкую металлическую подложку. Их преимущество в том, что этот материал может быть сделан быстро и в большом объеме. Поскольку тонкопленочный материал солнечной батареи гибок, он может принять особую форму, и применяться более широко. Но эффективность работы таких панелей ниже относительно других типов.
Устройство солнечной батареи (солнечной панели):
Солнечная батарея (солнечная панель) состоит из фотоэлектрических солнечных модулей (ячеек), которые в свою очередь состоят из фотоэлектрических элементов. Электрический ток течёт от одного элемента к другому, а в конце цепочки элементов обеспечивается вывод тока на выходные шины или точечные контакты. Связь между такими точечными контактами различных рядов или групп элементов обеспечивается посредством электрических проводов. Ряды или группы фотоэлектрических элементов могут быть соединены между собой параллельно или последовательно.
В свою очередь между собой фотоэлектрические элементы соединяются межэлементными (межконтактными) соединениями, которые представляют собой проводящие элементы, обеспечивающие электрические соединения отдельных фотоэлектрических элементов в параллельные или последовательные цепи.
Поскольку для производства фотоэлементов, как правило, используется кремний, то для уменьшения потерь солнечного света на кремниевую пластину (собственно фотоэлемент) наносится покрытие, которое уменьшает отражение света кремниевыми пластинами. Покрытия, которые обычно используются – это диоксид титана и оксид кремния, хотя можно использовать и другие.
Каждый фотоэлектрический солнечный модуль на выходе имеет определенный постоянный ток на основе принятых стандартов. Модули, как и элементы, ряды и группы фотоэлектрических элементов последовательно или параллельно соединяются в электрические цепи. Номинальное напряжение солнечной панели в итоге составляет, как правило, 12В или 24В.
Фотоэлектрические солнечные модули крепятся на жесткой металлической раме (каркасе), которая обеспечивает солнечной панели устойчивость при сильных ветровых нагрузках. Наружная часть солнечной панели, обращенная к Солнцу, покрывается каленым стеклом для защиты фотоэлементов от повреждений.
Некоторые модули могут включать в состав своей конструкции концентраторы, с помощью которых солнечный свет фокусируется линзами или зеркалами на более мелкие ячейки – собственно фотоэлементы. Это позволяет использовать фотоэлементы с высокой стоимостью на единицу площади (например, арсенид галлия) экономически эффективным способом.
Схема подключения солнечных батарей (солнечных панелей):
Солнечные панели могут использоваться отдельно или соединяться между собой. Они могут быть напрямую подключены к потребителям, использоваться в автономных системах с накоплением энергии в аккумуляторах (или других накопителях электрической энергии), соединяться с сетью систем или централизованной электрической сетью.
При прямом подключении солнечной панели, вырабатываемое ею электричество, сразу используется потребителем в устройствах, работающих на постоянном токе. В этом случае, при прерываниях солнечного света (в ночное время или пасмурной погоды), тут же возникают падения напряжения.
При использовании в автономных системах солнечная панель производит ток, который проходит через контроллер, поступает в аккумуляторные батареи, заряжая их. Контроллер уменьшает или останавливает зарядный ток, чтобы предотвратить перезарядку батареи. Так же в системе может использоваться инвертор, который получает энергию от батареи и преобразует постоянный ток в переменный. Для безопасности может использоваться центр управления, который содержит выключатели для отдельных цепей переменного тока.
Рис. 1. Схема подключения солнечных батарей
В этом случае применения солнечных панелей заряд аккумулятора может использоваться для восполнения нагрузок в электрической сети в ночное время и пасмурные дни. Когда возвращается ясная погода солнечные панели снова перезаряжают аккумуляторные батареи. Для работы вне солнечного времени к системе могут подключаться генераторы, которые могут автоматически включаться для подзарядки аккумуляторов в случае их малого заряда.
Солнечные панели и аккумуляторы хотя и объединяются в одну систему, чтобы преобразовать энергию и сохранить ее для потребления в будущем, однако существуют и проблемы с такой системой. Например, в течении летних месяцев вырабатывается много электрической энергии для зарядки аккумуляторных батарей, а используется мало. И, когда аккумуляторы почти не используются, требуется меньше времени для их зарядки, а солнечные панели тем временем простаивают. При этом аккумуляторные батареи должны периодически заряжаться и разряжаться, иначе будут ухудшаться их способности аккумулирования энергии, и они станут менее эффективными. Зимой же ситуация отличается. Солнечного света мало и нужно больше электричества. Это энергетическое неравенство может быть уравновешено добавлением ветряной электростанции. К счастью, может быть ветрено в пасмурную погоду. Таким образом, эти источники энергии служат хорошим дополнением друг к другу.
Объединение солнечных панелей в системы позволяет создавать солнечные электростанции для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (жилых зданий, частных коттеджей, пансионатов, санаториев, промышленных зданий и т. д.).
При подключении солнечных батарей в централизованную электрическую сеть излишки электроэнергии могут поставляться сторонним потребителям.
Применение солнечных батарей (солнечных панелей):
Область применения солнечных батарей (солнечных панелей) обширна. Это
– электростанции промышленного типа,
– электростанции для сельского хозяйства,
– электростанции для дома и дачи,
– системы уличного освещения,
– телекоммуникации,
– насосные станции,
– системы навигации,
– системы сигнализации,
– сетевые энергосистемы,
– электростанции для питания светодиодных рекламных модулей,
– зарядка мобильных телефонов в походе,
– питание радиоприемников на рыбалке,
– зарядка мобильных устройств от Солнца (iPad, HTC, Samsung, и т.д.),
– питание LSD телевизоров на природе,
– зарядка системы навигации,
– ночное освещение походного городка от Солнца.
Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com