23.08.2019

Как работают солнечные батареи - внутреннее устройство, история и разновидности

Солнечные батареи стали популярным альтернативным источником электроэнергии. Преобразующие устройства позволяют заметно ее удешевить, обеспечивают бесперебойное снабжение ресурсом объектов, поэтому активно применяются в частных домовладениях, фермерских хозяйствах, коммерческих организациях и в промышленности.

uaEnergy

577

0

Как работают солнечные батареи - внутреннее устройство, история и разновидности

Мы рассматриваем уникальную разработку человечества, и, конечно, хотелось бы узнать историю. Началось все в далеком 1839 г. Тогда Александр Беккерель открыл возможность преобразования света солнца в электроэнергию. Ученый представил первый прототип современной солнечной батареи. К сожалению, ввиду несовершенства устройство отличалось низким КПД – 1%. Но труды над развитием и совершенствованием идеи продолжились.

Александр Беккерел

В 1873 г. ученый Чарльз Фриттс выявил чувствительность селена к свету. Через четыре года удалось отметить, что вещество под действием лучей солнца вырабатывает электрический ток. Еще через три года создали первый солнечный элемент. Для изготовления применили покрытый золотом селен. Производительность также составила 1%.

Несмотря на малую производительность, Фриттс считал свою разработку эволюционной. Ученый настаивал на том, что энергию солнца целесообразно использовать как способ получения электричества. Фриттс предсказал, что со временем солнечные батареи заменят электростанции.

В 1905 г. А. Эйнштейн объяснил суть фотоэффекта. После обоснованного разъяснения появились надежды на изготовление солнечных батарей с производительностью, значительно превышающей ранее представленные показатели. Но прогресс не оправдал ожиданий.

Первый прорыв в разработках состоялся в 1954 г. Тогда Гордон Пирсон, Дэррил Чапин и Кэл Фуллер изготовили кремниевый солнечный элемент. Производительность составила 4%. Кремний оказался лучше селена по уровню продуктивности. После производительность изделия повысили до 15%. 

Использовать солнечные батареи начали в сельских районах, где были проблемы с инженерными коммуникациями. Сегодня разработка получила масштабное распространение, успешно применяется в развитых странах мира с целью получения дешевой электроэнергии.

Основные термины

Чтобы разбираться в теме было проще, внимательно изучите используемые в данной области термины. Они помогут улучшить понимание материала, упростить выбор оборудования при планировании покупки. К основным терминам отнесем:

  • солнечная энергетика – направление альтернативной энергетики, базирующееся на применении лучей солнца для получения энергии;
  • солнечная батарея – главный элемент. Это конструкция из последовательно или параллельно соединенных модулей;
  • солнечные модули – фотоэлектрические элементы, объединенные в блок;
  • фотоэлемент – главный компонент, используемый для создания батарей. Он преобразует энергию фотонов в электрическую;
  • монтажная шина – плоский луженый проводник, изготовленный из меди, используемый для соединения фотоэлектрических элементов методом спаивания;
  • ПЭТ или полиэтилентерефталатная пленка. Используется для защиты тыльной стороны фотомодуля;
  • пикочасы – время, за которое модуль способен принять освещенность, равную 1000 Вт/м²;
  • монокристаллический кремний – кремний, производимый методом Чохральского, цилиндрические слитки;
  • поликристаллический кремний – кремний, производимый методом направленной кристаллизации, прямоугольные блоки;
  • инсоляция – освещенность поверхности. Измеряется в кВтч/м².

Это основные термины, касающиеся рассматриваемых устройств. Частному потребителю пригодится половина наименований, ведь подбором и установкой батарей занимаются мастера, работающие в этой области.

Устройство 

Сама солнечная панель состоит из соединенных между собой фотоэлементов, бывает рамочной и безрамной. Рамы изготавливают из алюминия. В основе модулей, расположенных на металлической основе, лежит два вида кремния, отличающихся физическими свойствами. На этих пластинах располагаются металлические ребра жесткости, сверху – прозрачное стекло. По сути, устройство солнечной батареи не представляет собой слишком сложной для понимания темы.

Одна панель не даст никакого результата без дополнительных комплектующих:

  • аккумулятор – накапливает преобразованную фотоэлементами энергию. АКБ необходима для обеспечения постоянного энергоснабжения объекта даже в пасмурную погоду и холодное время года;
  • контроллер заряда – распределяет потоки электрической энергии, поддерживает стабильное напряжение на выходе;
  • инвертор-преобразователь – преобразовывает постоянный ток, получаемый от установки, в переменный;
  • стабилизатор напряжения – поддерживает оптимальные показатели напряжения в системе.

Чтобы солнечные панели работали стабильно и на максимуме возможностей, компоненты системы должны быть подобраны правильно, соответствовать характеристикам друг друга. Поэтому выбор и монтаж рекомендуется доверять лицам, имеющим в этой области немалый опыт.

Виды кристаллов фотоэлементов

Выше мы говорили о том, что кремний бывает монокристаллическим и поликристаллическим. Рассмотрим отличия внимательнее:

  • монокристаллические пластины. Отличаются высоким КПД – 20-22% и дороговизной, обусловленной сложностью производственного процесса. Кристаллы имеют форму квадратов со срезанными углами;
  • поликристаллические. Кристаллы имеют прямоугольную форму, получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Простое производство позволяет устанавливать на материал невысокую цену, но КПД 15%.

Этот момент следует учитывать, планируя приобретение солнечной панели.

Принцип работы

Рассматривая принцип работы солнечной батареи, отметим, что в конструкции модулей предусмотрено два типа полупроводников:

  • n-слой – с лишними электронами;
  • p-слой – с недостаточным количеством электронов.

При попадании лучей солнца на первый слой электроны покидают атомы и перемещаются во второй слой, где для них есть свободные места. Таким образом обеспечивается движение электронов по замкнутому кругу, сформированному фотоэлементами и аккумулятором. Пока идет этот процесс, АКБ набирает заряд.

Принцип работы солнечных батарей

Виды солнечных батарей

На первом месте по степени распространения и уровню популярности стоят кремниевые моно- и поликристаллические панели. Они характеризуются КПД в пределах 15-20%, доступны по цене, представлены на рынке в широком ассортименте. Если сравнить по эксплуатационным характеристикам, получим следующее:

  • монокристаллические: надежнее, работают стабильно, окупаются за 2 года. Более совершенны, но дороже поликристаллических;
  • поликристаллические: менее стабильны, проще в производстве, дешевле, окупаются за 3 года. 

Вышеуказанные показатели КПД нельзя назвать пределом совершенства, поэтому разработчики продолжают трудиться над поиском и воплощением в реальность новых решений. Так у кремниевых батарей появился ряд конкурентов.

Тонкопленочные панели представлены тремя видами неорганических пленочных солнечных элементов:

  • кремниевые пленки на базе аморфного кремния (a-Si). КПД – 10%. Светопоглощение хорошее, устройства функционируют на прием лучей даже в пасмурную погоду. Эластичны, долговечны; 
  • пленки из теллурида кадмия (CdTe). КПД 10-11%. Материал характеризуется хорошим светопоглощением. Есть информация о ядовитости вещества, но исследования показывают, что количество частиц, которое попадает в атмосферу, абсолютно безопасно для человека и окружающей среды; 
  • пленки селенида меди-индия-галлия (CuInGaSe2, или CIGS). Производительность – 12-13%. Индий применяют в производстве жидкокристаллических мониторов, поэтому и заменяют часто галлием.

Полимерные солнечные батареи появились на рынке недавно, как альтернатива существующим вариантам. В качестве проводников производители используют полифенилен, фуллерены, фталоцианин меди. Пленка получается тонкой – 100 нм, КПД всего 5%. Но даже при таких показателях полимерные панели пользуются спросом, обладая рядом преимуществ:

  • доступная цена;
  • исключение выделения вредных веществ;
  • широкое распространение.

Для небольших частных домовладений это вполне удобный вариант.

Виды солнечных батарей

Многослойные, многопереходные или тандемные модели: ячейки включают разные материалы, образующие несколько p-n переходов. Ценятся панели тем, что могут улавливать лучи разного спектра и длины волн. Для получения возможности преобразования всего солнечного спектра используют специальные призмы, разделяющие свет солнца. На рынке такие модели появились сравнительно недавно, до этого использовались исключительно в космосе. После поступления в свободную продажу объемы реализации приятно удивили. Но оправдали ли панели приобретение? Из заявленных показателей КПД для разных конструкций отличается:

  • с двухслойными ячейками – 42%;
  • с трехслойными – 49%;
  • с бесконечным количеством слоев – 68%.

Эти показатели теоретические. Зная, как работает солнечная батарея в теории, исследователи на определенном этапе разочаровались. Практика показала, что средний КПД многопереходных панелей составляет 30%. Исследования проводились при несфокусированном свете солнца. Результат оказался слишком малым, что свидетельствовало о невозможности окупить дорогой производственный процесс. Тогда и начали применять концентраторы для фокусировки света в 500-1000 раз. Концентратор в виде линзы Френеля и параболического зеркала получает свет с площади в 1000 раз больше площади ячейки. КПД увеличивается до 40%.

Самые крупные производители 

Сегодня удается выделить ряд фирм, являющихся крупнейшими производителями и поставщиками солнечных батарей:

  • Suntech – китайская компания. Занимается производством солнечных панелей высокого класса качества. Работает с 2001 года. Имеет представительства во многих развитых странах мира. Организация ведет полный цикл производства, начиная с получения кремниевых кристаллов, заканчивая сборкой преобразовывающих конструкций. Производственные мощности находятся в Китае, Японии, Германии, США; 
  • Yingli – крупная китайская корпорация, занимающаяся производством фотомодулей. Работает с 1998 года. С 2003 выпускает панели мощностью до 2 МВт. В 2012 и 2013 компания стала лидером по объемам производства в своей области;
  • Trina Solar – входит в число лидеров по производству преобразовательных панелей. Главный офис и завод находятся в Китае. Работает компания с 1997 г. Выпускает продукцию, соответствующую национальным и международным стандартам. Кроме Китая заводы фирмы располагаются в Таиланде и Вьетнаме. В 2017 году руководство анонсировало строительство производственных мощностей в Индии, но позже приостановило реализацию проекта; 
  • First Solar – американская компания, основанная в 1990 году. Занимается производством панелей и обеспечением профильных заводов специальным оборудованием, предоставляет услуги по обслуживанию производственных мощностей, участвует в переработке исчерпавших ресурс модулей;
  • Sharp Solar – подразделение крупной японской корпорации, занимающееся производством панелей не первый год. Продукция отличается качеством, надежностью и продолжительным ресурсом, благодаря чему ценится потребителем.

Это самые популярные производители солнечных батарей. Но полный список специализированных компаний на порядок шире. Это позволяет выбрать товар, идеально соответствующий персональным требованиям.

Преимущества установки солнечных батарей

В завершении рассмотрим главные преимущества батарей, чтобы оценить актуальность приобретения:

  • экономия на электроэнергии. Только за этот счет за срок эксплуатации панелей удается сэкономить в 10 раз больше стоимости самих установок;
  • возможность использования электроэнергии для отопления дома и подогрева горячей воды;
  • независимость от исправности местных инженерных систем.

Выбор конструкций широкий, поэтому вы легко найдете вариант под собственные потребности и пожелания.

Выводы

Мы узнали, из чего состоят и как работают солнечные батареи, рассмотрели КПД разных вариантов конструкций и другие важные особенности. Также получили краткие сведения из истории, свидетельствующие о том, что работа над поиском альтернативных источников электрической энергии ведется не первое столетие, и солнце давно рассматривают как неисчерпаемый ресурс. 

Информации получено достаточно, чтобы оценить оправданность установки таких конструкций, определить основные принципы выбора. Понять, каким производителям отдать предпочтение, тоже не составляет труда.

Комментарии 0

Написать комментарий