Солнечные батареи виды и их характеристика: Виды солнечных батарей — какую выбрать?

Содержание

Типы солнечных панелей | Atmosfera™. Альтернативные источники энергии. Солнце. Ветер. Вода. Земля.

Скорее всего, вы заметили, что порядок знакомства с технологиями производства фотоэлементов был выбран не случайно – мы начали элементами с наибольшим КПД и закончил элементами с наименьшим КПД. КПД для фотоэлементов — это эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую, это значит, что чем меньше КПД тем больше площади фотоэлементов нам необходимо для обеспечения той же мощности по сравнению с элементами у которых КПД имеет более высокое значение.

Теперь неплохо бы опровергнуть распространенное заблуждение о том, что поликристаллические фотомодули более эффективно преобразовывают солнечное излучение по сравнению с монокристаллическими. А тонкопленочные по сравнению с кристаллическими. На самом деле преобразование энергии прямого солнечного излучения монокристаллических элементов происходит с наибольшей эффективностью, у поликристаллических модулей это преобразование происходит с меньшей эффективностью в связи с разной ориентацией кристаллов в элементе. Рассеянное излучение кристаллические фотоэлементы преобразовывают с одинаковой эффективностью. Поэтому доля выработки от рассеянного излучения в поликристаллических панелях выше чем в монокристаллических, а, значит и влияние ориентации на выработку ниже. У тонкопленочных элементов в связи с большей степенью беспорядочности ориентации светочувствительных элементов выработка с рассеянной части излучения составляет основную долю выработки. Поэтому и принято говорить, что на выработку тонкопленочных модулей не влияет ориентация. Но энергию солнечного излучения, не зависимо от его формы, эффективнее всего преобразовывают монокристаллические модули потому что у них КПД выше.

Фотопанели из кристаллических фотоэлементов чаще всего используются в строительстве солнечных электростанций. Обычно, срок службы фотомодулей из кристаллических элементов составляет 25 лет. Через 25 лет мощность фотоэлементов составит 80% от текущей мощности. Обычно кристаллические фотопанели производятся с непрозрачной подложкой из PVB-пластика или тефлона, покрытием из стекла или прозрачного EVA-пластика, или стекла и алюминиевой рамой.

CIS – фотомодули имеют наибольший КПД как для тонкопленочных модулей. Но эти модули подвержены коррозии от токов утечки в связи с применением электролиза в их производстве, поэтому, когда мы устанавливаем станцию на CIS фотомодулях нам необходимо обеспечить полную потенциальную развязку с AC сетью с помощью установки трансформаторного инвертора или специального разделительного трансформатора и установить по дифференциальному автомату на каждую из линий, подключенных к инвертору. CdTe – фотомодули не подвержены коррозии. Но кадмий является токсичным элементом, вызывающим острые и хронические отравления. Поэтому использованные или испорченные CdTe – фотопанели подлежат обязательной утилизации, что удорожает эксплуатацию станции. Фотопанели из аморфного кремния не подвержены коррозии и не токсичны, но имеют очень низкий КПД и их активные элементы выгорают на солнце. Обычно в течении 6 – 12 месяцев после установки происходит снижение мощности, потом эти модули выходят на установившуюся мощность. Срок службы таких модулей составляет около 10 лет. Срок службы CIS и CdTe модулей такой же, как и у кристаллических.

Тонкопленочные фотомодули чаще всего применяются в фасадных системах и дизайнерских решениях. Скорее всего, в будущем тонкопленочные модули заменят кристаллические потому что их производство дешевле и менее энергоемко. Ведь никто не заинтересован в фотопанелях на производство которых тратится больше энергии чем они способны выработать за срок службы.

Солнечные батареи своими руками: виды, сборка, установка, схемы

Альтернативные источники энергии, в частности солнечные батареи, привлекают экономической выгодой и неиссякаемостью ресурса. Но готовые изделия и профессиональный монтаж выльются в круглую сумму. А так как солнечные батареи чаще всего используют как дополнительный источник электроэнергии – окупаться вложение будет не один год. Значительно сократить затраты можно, выполнив сборку и установку самостоятельно. Для этого потребуется приобрести составные части конструкции и изучить немного теории.

Содержание статьи

Солнечная батарея – что это и как работает?


Солнечной батареей называют конструкцию из нескольких солнечных элементов, установленных в раму и покрытых прозрачной защитой. Отдельные части соединяются последовательно или параллельно проводниками, образуя единый источник энергии.

Чем большее количество элементов объединяет батарея, тем она мощнее.

Работа устройства осуществляется за счет фотоэлектрического эффекта. При попадании солнечных лучей на фотоэлементы, кванты света вытесняют электроны, которые и образуют электрический ток. Для бесперебойного и равномерного снабжения сети, батареи оснащают аккумуляторами, способными накапливать энергию. Поэтому даже, если солнце скроется за плотными тучами, в дом будет поступать постоянный электрический ток.

Виды солнечных батарей


Фотоэлементы чаще всего изготавливают на основе кремния, в зависимости от способа его обработки выделяют разные виды пластин. Они различаются уровнем КПД (коэффициент полезного действия) – то есть соотношением полезно использованной энергии к полученной системой суммарно. От вида кремния зависит и эффективность конструкции при временном затенении.

Солнечные элементы производят и из другого сырья: теллурида кадмия, селенида меди-индия, полимеров. Их КПД от 5 до 20%, однако стоимость батарей из этих материалов намного выше, поэтому они пока не получили большого распространения.

Монокристаллические


Пластины этого вида изготовлены из чистого кремния. Кристаллы однородные и однонаправленные, после затвердевания их разрезают на тонкие пластины. КПД монокристаллической батареи при солнечной погоде достигает 17 – 20%, но при облачности ее производительность резко сокращается.

Конструкции устойчивы к влаге. Требуют регулярного очищения от пыли. Имеют сравнительно небольшие размеры и высокую мощность. При этом самые дорогостоящие. Внешне пластины из монокристаллов – черные с однородной структурой.

Поликристаллические


Фотоэлементы поликристаллической вида также производят из кремния, но по более простой и дешевой технологии. После нагревания до жидкого состояния, сырье медленно охлаждают, при этом образуются различные по форме кристаллы разной направленности. КПД не более 12 – 18%, это ниже чем у монокристаллов. Но важное преимущество этого вида пластин в том, что при облачности эффективность снижается незначительно.

Кристаллы разной формы в структуре элементов заметны при внимательном рассмотрении. Пластины имеют насыщенный синий цвет. Эти изделия стоят немного дешевле, подходят для установки на жилых домах, в качестве дополнительного источника электрической или тепловой энергии.

Аморфные


Пленочные кремниевые батареи производят не из кристаллов, а из силана или кремневодорода. Такая батарея эластична и может принимать любую форму. Производные кремния наносят тонким слоем на гибкую подложку.

КПД аморфных батарей значительно ниже первых двух видов и составляет всего 5 – 6%, но при этом пленочные источники энергии отличаются хорошей производительностью при облачности.

Этот вид солнечных батарей самый дешевый, и простой в монтаже. К тому же не требователен к очистке и может производить работу даже под слоем пыли.

При выборе вида солнечных батарей, необходимо ориентироваться на показатель КПД, срок службы и стоимость конструкций. Если нужна максимальная производительность и компактность, лучше выбрать монокристаллическую. Оптимальный по цене и эффективности вариант для частного дома – поликристаллическая. Аморфная, хоть и самая дешевая, но для хорошей мощности необходимо приобрести большой по площади фрагмент.

Срок службы кристаллических батарей без потери эффективности – 25 лет, а общий период эксплуатации может достигать 50 лет, аморфные лишаются до 40% мощности уже спустя 2 – 3 года использования.

Преимущества и недостатки


Покупка и монтаж солнечных батарей – это крупное единовременное вложение средств, но оно оправдает себя через несколько лет (минимум – 2 года, максимум – 6), и дальнейшая эксплуатация будет абсолютно бесплатной. И это далеко не единственное достоинство конструкций.

Плюсы солнечных батарей, характерные для всех их видов:

  • Общедоступность – использование солнечной энергии возможно в любой точке планеты;
  • Экологичность – батареи не загрязняют окружающую среду вредными отходами;
  • Надежность – конструкции очень редко выходят из строя, так как не имеют движущихся частей, батареи не зависят от технических неполадок поставщиков энергии;
  • Бесшумность – при работе, конструкция вообще не издает шумов;
  • Вариативность мощности – за счет изменения количества модулей, объединенных в одну цепь, можно регулировать общую производительность.

Важно обратить внимание и на минусы альтернативного источника энергии, чтобы не потратить средства нерационально. Не всегда солнечные батареи могут быть эффективны, к тому же они практически не способны полностью заменить традиционную электрическую сеть.

Производительность устройства зависима от климатических условий. В южных широтах батареи более продуктивны, в средних и северных – эффективность изменяется в соответствии со временем года. На этот показатель влияет и слой пыли. Регулярно его нужно удалять с лицевой поверхности, что может быть затруднено расположением конструкций и их большими размерами.

КПД всех видов солнечных батарей снижается с течением времени, поэтому рано или поздно придется заменять конструкции. При этом до сих пор остается нерешенным вопрос утилизации, выбрасывать приборы с бытовыми отходами запрещено, так как солнечные элементы и аккумуляторы содержат токсичные вещества.

Эффективность


Производительность солнечных батарей на территории России неравномерна. Если сравнивать способность этих устройств обеспечивать частный дом горячей водой, то в южных регионах можно использовать солнечную энергию в качестве единственного источника на протяжении всего года, в средних и северных – только летом, а зимой сочетать с другими видами энергии.

Один квадратный метр кристаллической солнечной батареи способен выработать в среднем до 120 Вт мощности. Она может обеспечить работу маломощного бытового прибора или нескольких лампочек, но, например, для компьютера этого недостаточно.

Эффективность зависит от многих факторов: вида устройства и его КПД, географического положения и угла наклона модуля.

Для полноценного обогрева дома площадью 100 кв.м. в средней полосе России, потребуется разместить на крыше не менее 30 кв.м. солнечных модулей. Это вложение полностью окупится примерно через 3 года использования. При сочетании с другими источниками отопления, срок, за который покупка себя оправдает, увеличится еще на 1 – 2 года. При длительности эксплуатации от 20 и более лет, установка солнечных батарей – однозначно, выгодное вложение.

Изготовление батареи своими руками


Самое сложное при сборке солнечной батареи – приобретение фотоэлементов. Новые стоят очень дорого, чтобы сократить расходы, можно купить через интернет элементы с незначительными повреждениями. Небольшие сколы не повлияют на производительность пластин. Лучше выбирать элементы с уже припаянными проводниками. Оптимальное количество фотоэлементов для одной батареи – 36 штук. Все части для одного солнечного модуля должны иметь одинаковые размеры.

Новые пластины иногда обливают воском, так как они очень хрупкие и тонкие. Перед сборкой их нужно освободить от покрытия под горячей водой.

Конструкция солнечной батареи состоит из короба, фотоэлементов, соединенных проводниками и защитного покрытия.

Подготовка короба


Каркас для батареи можно собрать из деревянных реек и листа ДВП. Предварительно нужно рассчитать длину и ширину короба, чтобы вместились все солнечные элементы. На нижней части реек нужно сделать отверстия для вентиляции и выхода жидкости.

Для защиты от порчи, грибка и влаги короб нужно окрасить с двух сторон.

Установка солнечных элементов


После снятия слоя воска и тщательной сушки фотоэлементов, можно приступить к их сборке. Для этого их нужно разложить лицевой стороной вниз и последовательно соединить проводниками, фиксируя паяльником. Между пластинами рекомендуется оставлять расстояние в несколько миллиметров.

На центр каждого элемента с обратной стороны нужно нанести каплю силиконового герметика, перевернуть цепочку и приклеить на подложку. Не желательно распределять клей по периметру пластины, так как во время эксплуатации она может расширяться и сжиматься, а плотная фиксация может стать причиной поломки элемента. Подложку нужно уложить в короб и закрепить саморезами. Установить диоды для предотвращения разрядки аккумулятора в ночное время. Вывести провод через одно из вентиляционных отверстий в каркасе.

После полного высыхания герметика можно установить защитный щит из прозрачного пластика или стекла. Закрепить верхнее покрытие лучше после проверки качества работы батареи.

Монтаж батареи своими руками


Устанавливать устройства можно на крышу или землю. Для второго способа потребуется изготовить металлические каркасы, которые будут удерживать батарею под нужным углом.

Выбранное место должно быть хорошо освещено солнцем. Ориентировать устройство нужно на южную сторону. Оптимальный угол наклона конструкции должен быть равен географической широте, в которой она находится. Так батарея получит максимальное количество света.

Место установки солнечной батареи должно быть доступным для чистки лицевой поверхности от пыли и снега, корректировки угла наклона и ремонта, в случае поломки.

Фиксировать модули на крыше нужно на рейки, на земле – на металлические фермы. После установки батарея должна находиться в неподвижном состоянии.

Предлагаем Вам прочитать про самостоятельное строительство ветрогенератора, который так же является альтернативным источником энергии.

Далее устройство нужно подключить к аккумуляторам, инверторам и контроллерам. А затем и к электросети дома. Подробное описание работ по подготовке батареи, установке и подключении представлено на видео.

Установка солнечных батарей позволит снизить расходы на электроэнергию и отопление. А если произвести все работы по сборке и монтажу своими руками, можно минимизировать стоимость модулей и сократить период их окупаемости.

Похожие статьи

принцип работы панелей, готовые комплекты российского производства для частного дома

Ежеминутно на поверхность нашей планеты попадает много солнечной энергии, без которой жизнь на Земле невозможна. Однако это еще не все, на что она способна, сегодня мы вступаем в эру альтернативных возобновляемых источников энергии, используя активность Солнца, ветра и воды. Крупнейшие солнечные электростанции уже вырабатывают около 1% всей мировой электроэнергии, поэтому будущее за новыми разработками. И этим мы обязаны науке и современным технологиям, благодаря которым это стало возможным.

Устройство панелей

Растущая в цене электроэнергия поневоле заставляет задуматься об экономии. И отличной альтернативой в данном случае считаются природные источники энергии. Оптимальным решение для частного дома является альтернативная электростанция – солнечная батарея.

Изначально может показаться, что вся система солнечной батареи слишком большая, а принцип ее работы невероятно сложен. И чтобы понять, как функционирует солнечная батарея в деле, необходимо детально рассмотреть ее конструкцию.

В действительности гелиосистема устроена довольно просто и состоит из четырех основных элементов.

  • Солнечная батарея – по форме и размерам представляет собой прямоугольную панель с определенным количеством пластинок. В основу солнечной батареи входят полупроводниковые материалы. Миниатюрные преобразователи собираются в модули, а модули – в единую систему гелиоколлектора.
  • Контроллер – выполняет функцию посредника между солнечным модулем и аккумулятором. Он необходим для отслеживания уровня заряда аккумулятора. Его роль крайне важна во всей цепи – контроллер не дает закипать или падать электрическому потенциалу, который необходим для стабильного функционирования всей системы.
  • Инвертор – преобразует постоянный ток солнечного модуля в переменный 220-230 вольт. Гибридный сетевой инвертор может использовать для своей работы как постоянный, так и переменный ток. Но стоит учитывать, что для работы инвертора тоже необходима энергия, и его расход составляет порядка 30% потерь на преобразование. И в пасмурную погоду или в темное время суток вся энергия для работы будет расходоваться из аккумулятора. То есть если аккумулятор разрядится, то инвертор перестанет работать.
  • Аккумулятор – преобразованная в электричество солнечная энергия не всегда используется в доме в полном объеме. Излишки могут накапливаться в аккумуляторе и использоваться в темное время суток и в пасмурную погоду.

Но перед тем как приступить к выбору и установке солнечной батареи на крыше, необходимо разобраться в принципах работы устройства, а также рассчитать рабочие узлы гелиосистемы.

Технические характеристики

Основным элементом каждой солнечной батареи является фотоэлектрический преобразователь.

В массовом производстве используется три типа элементов из кремния.

  • Монокристаллические – искусственно выращенные кремниевые кристаллы нарезаются на тонкие пластины. В основу модуля входит очищенный чистый кремний. Поверхность больше похожа на пчелиные соты или небольшие ячейки, которые соединяются между собой в единую структуру. Готовые маленькие пластинки соединяются между собой сеткой из электроводов. В данном случае процесс производства более трудоемкий и энергозатратный, что отражается на конечной стоимости солнечной батареи. Но монокристаллические элементы обладают большей производительностью, а средний КПД составляет около 24%. Срок службы монокристаллических батарей больше, они прослужат в среднем около 30 лет.
  • Поликристаллические – в основе кремниевый расплав. Такие модули считаются оптимальным решением для жилого частного дачного дома. Несколько кристаллов из кремния объединяются в один фотоэлемент. Поверхность поликристаллической солнечной батареи имеет неоднородную поверхность, из-за чего хуже поглощает свет. И КПД, соответственно, ниже, находится в пределах 20%. Срок службы поликристаллической панели составляет 20-25 лет. Они имеют характерное отличие – темно-синий цвет покрытия. Такие модули дешевле аналогов, что позволяет окупить всю систему примерно за 3 года.
  • Тонкопленочные – имеют гибкую подложку, что позволяет монтировать батарею на любую поверхность с углами и изгибами. Тонкий слой полупроводников наносится методом напыления на поверхность батареи. Такие системы имеют очевидный недостаток – маленький КПД. Производительность в среднем составляет около 10%. То есть для обеспечения энергией дома потребуется в два раза больше тонкопленочных батарей, чем поликристаллических. И срок службы таких панелей меньше других аналогов – в среднем ресурс работы составляет около 20 лет.

Идеально, если солнечные батареи могут полностью обеспечить дом электроэнергией. Но довольно часто энергия Солнца используется для горячего водоснабжения или же для отопления. Но чтобы выполнить любую из этих целей, необходимо высчитать реальную мощность на квадратный метр и необходимое количество модулей. Мощность солнечного модуля зависит от количества солнечных лучей, которые попадают на поверхность батареи. Чтобы правильно сделать выбор, также следует изучить принцип действия домашней мини-электростанции.

Принцип действия

Первый прототип гелиоколлектора, который всем известен еще с прошлого века – это дачный летний душ. Он представлял собой большую емкость, которая окрашивалась в черный цвет, в течение дня вода в ней нагревалась, что позволяло каждому дачнику вечером принимать теплый душ.

Гелиоколлектор – это плоская панель, которая располагается на улице, как правило, на крыше, и способна преобразовывать 90% солнечного излучения в энергию. В дальнейшем энергия отправляется в систему и распределяется на нужды электроснабжения. Но если гелиосистема используется для отопления или горячего водоснабжения, то энергия при помощи маломощного насоса направляется в бак-аккумулятор.

В разное время суток и в разные сезоны уровень освещения меняется. Поэтому для обеспечения бесперебойной поставки энергии в дом солнечная батарея имеет целую систему. Ученые научились управлять таким микрофизическим явлением, как фотоэлектрический эффект. И хотя, на первый взгляд, принцип действия кажется технически сложным, в действительности, принцип действия и схема электрической цепи выглядят очень просто.

Основная задача всей системы заключается в том, чтобы преобразовать энергию солнца и выдать постоянный ток определенной величины.

Плюсы и минусы

Установить солнечные батареи в своем доме может каждый желающий.

К тому же они имеют множество преимуществ.

  • Энергоэффективность – в зависимости от своего вида солнечные батареи имеют разный показатель. Но в среднем КПД составляет от 14 до 30%.
  • Солнечные батареи особенно востребованы на дачных участках. И этому есть два разумных объяснения. Во-первых, дачные участки зачастую находятся вдали от централизованных источников энергоснабжения в районах с малоразвитой инфраструктурой. И во-вторых, преобразование солнечных лучей в энергию особенно актуально именно в разгар дачного сезона – летом.
  • При необходимости мини-электростанцию можно дополнять новыми солнечными батареями для увеличения мощности.
  • Экономия – для южных регионов страны использование солнечной батареи для горячего водоснабжения позволяет сэкономить до 60% энергии в среднем за год: 30% зимой и 100% летом.
  • Подобные системы актуальны не только для частного использования, например, для дома, но и для предприятий, образовательных и медицинских учреждений. В производственном цехе солнечную батарею можно использовать в качестве дополнительного источника тепла для центрального отопления зимой, а летом – для подачи технологической горячей воды.
  • Выгода – заплатить за оборудование необходимо только один раз, впоследствии система не требует никаких вложений и обслуживания.
  • Экологический источник энергии – особенно важный аспект в планетарном плане, потому что запасы энергоносителей на Земле не безграничны.
  • Надежность – в данном случае многое зависит от выбранной модели и правильности установки.

Несмотря на множество плюсов, солнечные батареи имеют один весомы недостаток: их разумнее использовать в регионах с малым числом пасмурных дней в году, а таких на территории России очень ограниченное количество.

Стоит отметить, что система окупается через несколько лет и позволяет владельцу в будущем экономить колоссальные деньги. К примеру исходя из сегодняшних тарифов на электричество и дизель, можно с уверенностью сказать, гелиосистема окупится за 3-4 года в частном загородном коттедже для семьи из 5-7 человек. А при переходе с газа – окупаемость составит до 8-10 лет.

Виды

Сегодня различные виды солнечных батарей набирают все большую популярность. На первый взгляд, может показаться, что все солнечные модули одинаковые: большое количество отдельных маленьких фотоэлементов соединены между собой и закрыты прозрачной пленкой. Но, в действительности, все модули отличаются по мощности, конструкции и размерам. И на данный момент производители поделили гелиосистемы на два основных типа: кремниевые и пленочные.

Для бытовых целей устанавливаются солнечные батареи с фотоэлементами из кремния. Они являются на рынке самыми популярными. Из которых можно также выделить три вида – это поликристаллические, монокристаллические, о них уже было рассказано более подробно в статье, и аморфные, на которых остановимся подробнее.

Аморфные – изготавливаются также на основе кремния, но, кроме того, имеют также и гибкую эластичную структуру. Но производятся не из кристаллов кремния, а из силана – другое название кремневодород. Из особенностей аморфных модулей можно отметить отличную эффективность даже при пасмурной погоде и возможность повторять любую поверхность. Но КПД значительно ниже – всего 5%.

Второй тип солнечных панелей – пленочные, вырабатывается на основе нескольких веществ.

  • Кадмий – такие панели были разработаны еще в 70-х годах прошлого столетия и использовались в космосе. Но на сегодняшний день кадмий применяется также и при производстве промышленных и бытовых солнечных электростанций.
  • Модули на основе полупроводника CIGS – разработаны из селенида меди, индия и представляют собой пленочные панели. Индий также широко используется при производстве жидкокристаллических мониторов.
  • Полимер – также используется при производстве солнечных пленочных модулей. Толщина одной панели около 100 нм, но КПД остается на уровне 5%. Но из плюсов можно отметить, что такие системы имеют доступную цену и не выделяют вредные вещества в атмосферу.

Но также на сегодняшний день на рынке представлены менее громоздкие переносные модели. Они специально разработаны для использования во время активного отдыха. Зачастую такие солнечные батареи используются для подзарядки портативных устройств: небольших гаджетов, мобильных телефонов, фотоаппаратов и видеокамер.

Портативные модули делятся на четыре вида.

  • Маломощные – дают минимальный заряд, которого хватает для подзарядки мобильного телефона.
  • Гибкие – могут сворачиваться в рулон и имеют небольшой вес, благодаря этому и обусловлена большая популярность среди туристов и путешественников.
  • Закрепленные на подложке – имеют значительно больший вес, примерно 7-10 кг и, соответственно, дают больше энергии. Такие модули специально разработаны для использования в дальних автомобильных поездках, а также могут использоваться для частичного автономного снабжения энергией загородного домика.
  • Универсальные – незаменимы в пешем туризме, устройство имеет несколько переходников для одновременного заряда различных устройств, вес может достигать 1,5 кг.

Эффективность работы зимой

Для гелиосистемы морозная погода не играет роли. Главным здесь является количество ясных световых дней. И, к примеру, если использовать солнечную батарею для горячего водоснабжения, даже в зимний период тридцатиградусных морозов можно стабильно иметь в баке воду температурой 40°C – 50°C.

В регионах с резко континентальным климатом и суровой зимой отказаться от центрального отопления не получится. Но можно дополнить систему баками косвенного нагрева, которые позволяют совмещать различные источники тепла с возможностью включения в работу энергии солнца автоматически и по мере необходимости.

А также можно использовать гелиосистему для поддержки отопления в системе «теплый пол». При этом для 100 квадратных метров пола необходимо примерно 8 коллекторов. Но в летнее время такая большая система будет избыточной, разве что можно использовать ее для поддержания температуры в бассейне или сауне.

В зимний период разумнее использовать накопленную за лето энергию. В данном случае необходимо будет дополнительно установить аккумулятор для накопления электрического заряда.

Его роль в системе вполне понятна – аккумулятор позволит запастись электричеством солнечного модуля. И тогда можно будет использовать солнечную энергию в качестве электричества.

Как выбрать?

Установка гелиосистемы на собственном участке обойдется в приличную сумму. Перед тем как приступать к установке солнечной батареи, необходимо определиться с требующейся мощностью для всех приборов. И в первую очередь необходимо вычислить оптимальную пиковую нагрузку в киловаттах и рациональное условно среднее потребление энергии в киловатт/часах для обеспечения нужд дома или участка.

Для рационального использования солнечного электричества необходимо определить:

  • пиковую нагрузку – для ее определения необходимо сложить мощность всех приборов, включенных одновременно;
  • максимум потребляемой мощности – параметр, необходимый для определения категории приборов, которые должны работать в одно время;
  • суточное потребление – определяется умножением индивидуальной мощности отдельно взятого прибора на время, в течение которого он работал;
  • среднесуточное потребление – определяется путем сложения расхода энергии всех электроприборов за одни сутки.

Все эти данные необходимы для комплектации и стабильной последующей работы солнечной батареи. Полученная информация позволит подобрать более подходящие параметры аккумуляторного блока – дорогостоящего элемента солнечной системы.

Для проведения всех расчетов понадобится лист в клетку или, если вы предпочитаете работать на компьютере, то удобнее всего будет использовать файл Excel. Подготовьте шаблон таблицы с 29-ю колонками.

Укажите названия граф по порядку.

  • Название электроприбора, бытовой техники или инструмента – специалисты рекомендуют начинать описывать энергопотребителей с прихожей, а затем двигаться вкруговую по часовой или против часовой стрелки. Если дом имеет более одного этажа, то отправной точкой всех последующих уровней служит лестница. А также укажите уличные электроприборы.
  • Индивидуальная потребляемая мощность.
  • Время суток начиная от 00 и до 23 часов, то есть для этого вам понадобится 24 колонки. В колонках со временем необходимо будет указать два числа в виде дроби: продолжительность работы в течение конкретного часа/ индивидуальную потребляемую мощность.
  • В 27 колонке укажите суммарное время работы электроприбора за сутки.
  • Для 28 колонки необходимо помножить между собой данные из 27 колонки на индивидуально потребляемую мощность.
  • После заполнения таблицы вычисляется итоговая нагрузка каждого прибора на протяжении каждого часа – полученные данные вводятся в 29 колонку.

После заполнения последней колонки определяется среднесуточное потребления. Для этого все данные в последней колонке суммируют. Но в данном расчете не учитывается потребление всей системы гелиоколлектора. Для вычисления этих данных необходимо учитывать вспомогательный коэффициент при итоговых расчетах.

Такой тщательный и кропотливый подсчет позволит получить развернутую спецификацию энергопотребителей с учетом часовых нагрузок. Поскольку солнечная энергия очень дорогая, ее расход необходимо минимизировать и рационально использовать для питания всех приборов. К примеру, если гелиоколлектор будет использоваться в качестве резервного питания дома, то полученные данные позволят исключить энергоемкие приборы от сети до окончательного восстановления основного электроснабжения.

Для постоянного снабжения дома энергией от солнечной батареи при расчетах часовые нагрузки выдвигаются вперед. Потребление электроэнергии необходимо настроить таким образом, чтобы исключить аварийные ситуации при работе системы и выровнять максимальные нагрузки.

В таком случае все максимальные нагрузки должны совпадать с максимальной активностью солнца, то есть попадать на светлое время суток.

На данном графике наглядно показано, как рационально использовать энергию солнца в доме. Первоначальный график показывает, что нагрузка распределялась в течение суток хаотично: среднесуточная почасовая составляла 750 Вт, а показатель потребления – 18 кВт в час. После точных расчетов и грамотного планирования удалось снизить показатель суточного потребления до 12 кВт/час, а среднесуточную почасовую нагрузку до 500 Вт. Данный вариант распределения энергии также подходит и для резервного питания.

Сфера применения

Солнечные батареи являются наиболее выдающимся достижением в области альтернативной энергии. Они выполняют важнейшую функцию для энергосбережения и сохранения благ цивилизации. В летний период на даче солнечные батареи могут использоваться для обеспечения энергией электроприборов и бытовой техники, системы отопления или для горячего водоснабжения.

Туристы и путешественники, как правило, выбирают переносные солнечные батареи для зарядки портативных устройств. Они незаменимы в местах, где отсутствует электропитание.

Подобные устройства можно использовать также и для энергоснабжения квартиры. И если окна вашей квартиры выходят на солнечную сторону, вы можете смело установить солнечные батареи на балконе или фасаде дома, только предварительно необходимо будет получить разрешение управляющей компании или ТСЖ.

Схема подключения

Солнечные батареи можно разместить на крыше дома, неважно, скатной или плоской, а также на балконе, фасаде или даже во дворе. Но также необходимо будет выделить место на чердаке или в подвале для всей остальной системы.

Необходимо соблюдать основные рекомендации специалистов при установке солнечной батареи.

  • Внимательно рассмотрите все элементы солнечной системы перед покупкой на отсутствие повреждений и дефектов. Во время перевозки сохраняйте заводскую упаковку комплекта, чтобы не допустить нарушения целостности экрана.
  • Основные элементы контроля и регулировки солнечных батарей занимают минимум места. Как правило, необходимый минимум включает в себя инвертор, контроллер и АКБ. А также если позволяет климат региона и технические особенности участка, то устройства управления и контроля можно установить на улице. Но лучше для всей системы мини-электростанции выбрать отапливаемое сухое помещение, потому что при снижении окружающей температуры воздуха до -5?C емкость батареи уменьшается вдвое.
  • Солнечные модули, контроллеры и инверторы выпускаются под напряжением 12, 24 и 48 вольт. Большое напряжение позволяет использовать провода с меньшим сечением. Но чем меньше напряжение, к примеру, при 12 В проще заменить вышедшие из строя аккумуляторы. При работе с 24 вольтами понадобится заменять аккумуляторы попарно. А при замене аккумулятора 48 вольт понадобится 4 батареи на одной ветке, что, в свою очередь, опасно и может привести к поражению электрическим током.
  • Для системы солнечной батареи необходимо использовать специальные аккумуляторы с меткой Solar. В идеале все аккумуляторы должны быть от одного производителя и из одной партии.
  • Количество фотоэлементов в одном модуле должно быть от 36 до 72 штук – это оптимальное количество для получения заявленного тока. Не стоит устанавливать сдвоенные модули с количеством фотоэлементов от 72 до 144. Во-первых, их проблематично транспортировать. А во-вторых, они первыми выходят из строя при сильных морозах.
  • Большие модули должны иметь усиленный корпус и дополнительную защиту в виде стекла. Поскольку модули устанавливаются на крыше, на них оказываются большие нагрузки в виде осадков и ветра.
  • Собирать комплект солнечной батарее необходимо на открытой площадке или в просторном помещении.
  • Для установки солнечной батареи на участке необходимо выбрать хорошо освещенное открытое место, на котором не появляется тень от рядом стоящих зданий или деревьев. Отлично для этого подойдет крыша дома или любой другой постройки.
  • Угол наклона солнечных модулей играет большую роль при получении энергии. Поток энергии пропорционален положению солнца. Поэтому стоит заранее предусмотреть возможность изменения угла наклона для крепления при смене сезона, когда положение солнца и направление лучей меняется.

Изготовление в домашних условиях

Комплексная гелиосистема потребует немалого вложения средств. Но все потраченные деньги вернутся в будущем. Срок окупаемости в зависимости от количества модулей и способов использования солнечной энергии будет разниться. Но все же можно уменьшить первоначальные расходы не за счет потери качества, а за счет разумного подхода к выбору компонентов солнечной батареи.

Если вы неограничены в площади установки солнечных модулей, и в вашем распоряжении есть приличное пространство, то на 100 кв. м вы можете установить поликристаллические солнечные батареи. Это позволит сэкономить немалую сумму в семейном бюджете.

Не старайтесь покрыть полностью крышу солнечными батареями. Для начала установите пару модулей и подключите к ним ту технику, которая работает от постоянного напряжения. Нарастить мощность и увеличить количество модулей можно всегда со временем.

Если вы ограничены в бюджете, то можете отказаться от установки контроллера – это вспомогательный элемент, который необходим для отслеживания уровня заряда батареи. Вместо него, можно дополнительно подсоединить к системе еще один аккумулятор – это позволит избежать перезаряда и увеличит емкость системы. А для контроля заряда можно использовать обычные автомобильные часы, которыми можно измерять напряжение, да и стоят они в разы дешевле.

И один важный совет, замените все лампы накаливания на современные. В идеале использовать светодиодные – у них гораздо меньшее потребление электроэнергии и работают они от 12 В.

Популярные производители и отзывы

При выборе солнечной батареи для дома следует ориентироваться не только на соотношение цена – качество, но и на бренд. Необходимо абсолютно доверять производителю в этом важном вопросе. А чтобы удостовериться в качестве продукции, стоит ознакомиться с техническим паспортом и отзывами.

Зачастую на рынке можно встретить трубчатый вакуумный гелиоколлектор. Такие панели производятся в основном в Китае и теоретически имеют более высокий КПД. Но в зимнее время года на таких изделиях образуется наледь и на поверхности налипает снег. Слой осадков не пропускает солнечные лучи, а жарким летним днем такая система может «закипеть», если ее вовремя не накрыть для защиты от перегрева.

Рассмотрим самые популярные на рынке солнечные батареи.

Sharp

Sharp – бренд японской корпорации, широко известный в сфере производства мощных солнечных батарей. Выпускаемая продукция подвергается тщательным исследованиям и испытаниям. Солнечные модули имеют три слоя, а КПД составляет от 37,9% до 44,4%.

IES

IES – производится в Испании. Главной особенностью продукции считается два слоя модуля и КПД в пределах 32%, что в конечном счете отображается на стоимости. Солнечные панели испанского бренда значительно дешевле японских аналогов, но все же остаются весьма дорогостоящими для использования в частных домах.

Amonix

Amonix – также находится в числе лидеров по производству солнечных батарей для промышленного использования. Эффективность выпускаемой продукции составляет 36%.

Sun Power

Sun Power – солнечные панели американского бренда также входят в рейтинг эффективных систем. КПД популярных моделей составляет 21%.

Телеком-СТВ

«Телеком-СТВ» – панели российского производства (г. Зеленоград) также занимают лидирующие позиции среди производителей. Ассортимент выпускаемой продукции очень широкий. Компания предлагает монокристаллические батареи от 18 до 270 Вт, мультикристаллические – от 5 до 250 Вт, для морского применения – от 16 до 215 Вт, и складные – от 120 до 180 Вт. Эффективность солнечных модулей составляет 20-21%, но при этом стоимость батарей ниже на 30% по сравнению с импортными брендами.

Это лишь малая часть известных производителей солнечных батарей. Но не стоит сбрасывать со счетов и другие отечественные бренды. Так, к примеру, компания Hevel (Чувашия, Россия) выпускает микроморфные тонкопленочные батареи. И как показали исследования, улучшенная панель компании эффективнее улавливает лучи рассеянной энергии. И, что немаловажно, солнечные батареи отечественного производителя имеют привлекательный внешний вид и могут устанавливаться не только на крыше, но и на фасаде здания.

Не рассматривайте для установки дешевые сдвоенные солнечные модули с большим количеством фотоэлементов. Как показывает практика, во время аномальных морозов, которые систематически ударяют по многим регионам страны, именно такие панели первыми выходят из строя. Все дело в том, что тонкая прозрачная пленка, натянутая на поверхность модуля, сжимается на холоде и от большого натяжения отслаивается и рвется. Отчего производительность солнечной батареи падает, что может привезти к скорому выходу из строя.

При выборе подходящей системы необходимо также обратить внимание на то, что мощность гелиосистемы со временем снижается на 10%.

Также сократить ресурс панелей могут:

  • поврежденная пленка на поверхности модуля;
  • замутнение пленки;
  • деформация поверхности.

Не так давно ученые пришли к выводу и доказали возможность запасания тепла в грунте. Что открывает колоссальные перспективы для альтернативной энергии. Избытки летнего тепла можно запасать под землей в грунтовых или водяных аккумуляторах тепла, расположенных на глубине от 2 до 35 метров, и расходовать энергию зимой в качестве отопления или электричества.

Советы по поводу солнечных батарей — в следующем видео.

Как устроены и работают солнечные батареи

Солнечная энергетика становится все более популярной во всем мире. Вместе с коллегами из специализированного портала Elektrik мы разбирались, как устроена солнечная батарея, из чего она состоит и куда отправляется получаемая энергия.

В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях (в научной литературе они называются фотоэлектрическими панелями).

Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи – это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании.

В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: непосредственно, солнечной батареи (генератора постоянного тока), аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.

Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей.

Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые – 15%.

Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею.

Электродвижущая сила отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока.

Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую либо нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки. Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением Pн = IнUн, где Uн напряжение на зажимах батареи.

Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему коэффициенту полезного действия (кпд) преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности.

Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток.

Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит в выходу из строя всей цепочки, т. е. повышает надежность работы всей батареи.

Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а электродвижущая сила — последовательно включенных солнечных элементов. Так, комбинируя типы соединения, собирают батарею с требуемыми параметрами.

Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает.

Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи.

При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов они шунтируются и ток через них не идет.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока.

Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.

При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда.

Это процесс контролируется специальным контроллером. При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда.

При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.

Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов – гелевых (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовыех батарей, которые сделанны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей – 10 — 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается!

Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность.

Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечной батарей можно использовать специальные устройства – инверторы.

Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.

Автор текста: Андрей Повный. Текст впервые опубликован на сайте Electrik.info. Перепечатано с согласия редакции.

В ИТМО нашли доступный способ сделать солнечные батареи прозрачными без потери эффективности

Физики Университета ИТМО нашли доступный способ превратить солнечные батареи в прозрачные, сохранив их эффективность. Новая технология основана на методе легирования, изменении свойств материалов с помощью добавления примесей, но без использования специального дорогостоящего оборудования. Результаты опубликованыв журнале ACS Applied Materials & Interfaces

Одна из самых интересных задач в солнечной энергетике  — создание прозрачных тонкопленочных фотоактивных материалов. Такую пленку можно наклеить на обычное окно и получить из него генератор энергии без ущерба для внешнего облика здания. Однако сделать солнечные элементы, сочетающие высокую эффективность и хорошую светопроницаемость, достаточно сложно. 

«У обычных тонкопленочных солнечных батарей есть непрозрачный металлический задний контакт, позволяющий дополнительно захватить больше света в структуре. В прозрачных солнечных элементах используют светопропускающий задний электрод. В этом случае часть фотонов неизбежно теряется на пропускание, поэтому и КПД у них намного ниже. Кроме того, изготовление заднего электрода с необходимыми характеристиками обходится дорого», — рассказывает научный сотрудник Нового Физтеха ИТМО Павел Ворошилов.

Проблему малой эффективности можно решить с помощью легирования. Но чтобы примеси правильно «прилипли» к нужному материалу, требуются сложные подходы и дорогое оборудование. В ИТМО предложили более доступную технологию создания «невидимых» солнечных панелей — легирование материалов с помощью ионной жидкости, меняющей характеристики обработанного слоя.  

«Для своих опытов мы взяли солнечный элемент на основе малых молекул, на который нанесли нанотрубки в качестве прозрачного электрода. Далее легировали покрытие из нанотрубок при помощи ионного затвора. Обработке подвергся и транспортный слой, который отвечает за то, чтобы заряд из активного слоя успешно достиг электрода. Нам удалось обойтись без вакуумных камер, работали в воздушной атмосфере. Нужно было просто капнуть ионной жидкостью и подать немного напряжения, чтобы получить необходимые свойства», — добавляет Павел Ворошилов.

В результате апробации новой технологии ученым удалось поднять эффективность батареи в несколько раз. Авторы проекта полагают, что таким же образом можно улучшить свойства и других солнечных элементов. Теперь в планах ученых эксперименты с различными материалами, а также совершенствование самой технологии легирования.


Пресс-служба Университета ИТМО

 

Солнечные батареи: особенности работы солнечных батарей

Солнечные батареи это 

Солнечные батареи относятся к альтернативным, экологичным источникам энергии, широко используемым в наше время. Это оборудование преобразует энергию, полученную от солнца в электрическую энергию, и ее уже напрямую используют в промышленности и быту или накапливают в аккумуляторных устройствах для использования в не солнечное время суток (зимнее время года или в ночное время суток).

При использовании солнечных батарей может производиться как освещение, так и отопление жилья.

Солнечные батареи-виды

Малые фотоэлектрические системы. Состоят из панелек и аккумуляторов (max напряжение 12-24 вольт) и используются для работы электротехники с небольшим напряжением – лампочки, радио, телевизор.

Большие фотоэлектрические системы. Используются для полноценного обеспечения электричеством всего дома. Использование такой системы гарантирует напряжение в сети – 220 вольт. При использовании мощных аккумуляторов повышаются возможности по использованию энергии! Но есть свои особенности в эксплуатации.

Особенности работы солнечных батарей

Для работы солнечных батарей нужны специфические внешние условия, влияющие на их полнофункциональную работу.

  • Эффективность высокая только в областях повышенной солнечной активности (рассчитывать требуется частоту дождливых дней и пасмурных),
  • Особое внимание стоит обратить на количество солнечных дней в холодное время года,
  • Для повышения эффекта от солнечных батарей требуется утепление дома – тогда на отопление потратится меньше энергии,
  • Идеальным вариантом будет – комбинировать солнечные батареи с отоплением газом или электричеством. Тогда вместе это будет идеальная система отопления, гарантирующая постоянное тепло в доме,
  • Необходимо учитывать активность солнца в середине дня – ориентировать батареи на юг – для достижения оптимального отопления дома. Возможны варианты – юго-запад или юго-восток,
  • Солнечные батареи не должны затеняться деревьями или строениями,
  • Максимальное поглощение энергии происходит под прямым углом к инсоляции. Именно из-за этого солнечные батареи размещают под углом, который равняется географической широте местности,
  • В холодное время года эффективно увеличение угла наклона и требуется в летнее время его возвращать обратно.

Комплектация солнечных батарей

Комплектация солнечных батарей меняется в зависимости от потребностей потребителя и площади отапливаемого помещения. Но принцип составляющих остается стандартным (для отопления):

  • Вакуумный солнечный коллектор,
  • Контроллер, измеряющий эффективность системы,
  • Насос, передающий теплоноситель от коллектора к накопителю,
  • Ёмкость для горячей воды (примерный объем – 500-1000 л),
  • Насос тепловой, электрический тэн.

Накопленной энергии от солнечной батареи часто бывает достаточно не только для нагрева огромного объема воды, используемой для отопления дома и бытовых нужд, но и для использования в системе обогрева пола.

Вывод

В конце статьи стоит отметить, что солнечные батареи могут обеспечивать запас горячей водой, которой хватит на 280 дней в году. Финансовая экономия очевидна – гарантирует минимизацию по использованию электричества и центрального отопления. А в простом быту является гарантией теплого дома в аварийных ситуациях при отключении электричества или других авралах.

©ObOtoplenii.ru

Другие статьи раздела : Экологичное топливо

 

 

Похожие статьи

Поколения солнечных батарей

Гелиоэнергетика еще очень молодая. Ей нет еще и семидесяти лет. Первые солнечные батареи были изготовлены на основе полупроводниковых диодов из кремния. Как это не удивительно, даже атомные станции построили раньше, не говоря уже о тепловых или использующих силу воды или ветра. Самые «древние» солнечные батареи представляли собой громоздкие металлические ящики, закрытые с одной стороны стеклом. Для прочности конструкции перпендикулярно длине были размещены покрытые светоотражающим материалом ребра жесткости, которые в электрической схеме выполняли роль положительного электрода. Рабочая поверхность изготавливалась из кремния двух типов – электронного и дырочного. Солнечный свет, подходя к границе соприкосновения двух разных материалов, создавал разность потенциалов, то есть электрическое напряжение. Роль отрицательного электрода выполнял металлический лист под первым слоем кремния. Первые солнечные элементы производили постоянный ток напряжением в пять десятых Вольта.

Совершенствование солнечных батарей шло по 3 направлениям:

  • улучшение характеристик фотоэлементов;
  • применение автоматических систем разворота панелей;
  • решение проблемы охлаждения рабочей поверхности.

В каждой из перечисленных областей сменилось уже несколько поколений воплощенных инженерных решений, причем у разных производителей определенные модели могли сочетать «продвинутый» привод разворота и примитивный фотоэлемент или отличный полихромный кремневый диод и «слабую» систему охлаждения.

Рост эффективности фотоэлементов

Сегодня рынок предлагает для массового потребителя модели солнечных батарей с коэффициентом полезного действия в 3 раза превышающим показатели сорокалетней давности. Это подтверждает значительные успехи в совершенствовании используемых фотоэлементов. В начале двухтысячных годов на мировом рынке появились тонкопленочные многослойные панели, эффективность которых превышала 20%.

Требование рынка получить дешевый материал для фотоэлементов способствовало появлению массового производства панелей из поликристаллического кремния. По показателям эффективности это был явный шаг назад, однако низкая себестоимость таких элементов делает их востребованными по сей день. Кроме того, этот вид панелей более восприимчив к рассеянному солнечному свету. Такое качество позволяет применять батареи из поликристаллического кремния в местности, где часто пасмурно.

Спрос на солнечные батареи, которые можно смонтировать на неровной поверхности без разрушения структуры, породил целый класс изделий, которые принято называть гибкими панелями. Производят их на современных роботизированных линиях путем последовательного нанесения двух полупроводников и защитного слоя на сверхпрочную пленку.

Новинкой на сегодняшний день является солнечная панель, которая использует фотоэлементы, где нижним электронным слоем выступает традиционный кремний, а «дырочным» — минерал, названный в честь русского геолога и коллекционера Перовского. Титанат кальция обладает более высокой пропускной способностью для фотонов, поэтому солнечные батареи с ним лучше работают зимой и в пасмурную погоду. Производство перовскита в несколько раз дешевле получения пластин из кремния, что открывает новые перспективы в удешевлении солнечной энергии для массового потребителя. Большой прогресс достигнут также в напылении различных покрытий на первый слоя полупроводника.

Совершенствование поворотных устройств – трекеров

Одна из главных проблем в разработке солнечных батарей связана с постоянным движением Солнца по небосклону. Как спроектировать систему, которая бы постоянно поворачивала рабочую поверхность под нужным углом и при этом стоила недорого?

Максимальные показатели достижимы только при строго перпендикулярном расположении по отношению к солнечным лучам. При повороте на 45 градусов эффективность работы панели падает на одну треть. Самой совершенной представляется система с электронными датчиками, которая отслеживает положение Солнца в течение дня и по временам года, и разворачивает панель в трех плоскостях при помощи электроприводов. К этому идеалу инженеры стремятся уже 50 лет. С точки зрения механики проблем нет, но если доля трекеров в структуре себестоимости товара превышает 30% — это сводит к нулю возможность конкуренции с другими производителями.

Дополнительные трудности создает ветровая нагрузка. Солнечные батареи размещаются обычно на открытой местности или на крышах домов, и в силу конструктивных особенностей имеют большую парусность. Для борьбы с ветром приходится жертвовать коэффициентом полезного действия и предусматривать жесткое крепление без поворотных механизмов либо монтировать различные варианты перевода панелей в аварийное положение. На сегодняшний день компромиссным и доступным вариантом является панель, которая поворачивается в одной плоскости при помощи электродвигателя.

Эволюция систем охлаждения

Каждые 2 градуса повышения температуры рабочей поверхности солнечной батареи сулят уменьшение ее эффективности на 1 процент. Задача инженеров – не допустить перегрева полупроводниковых пластин, но при этом добиться максимального «потребления» солнечного света.

Первое решение этой проблемы лежало на поверхности. Подвести воду к нижней поверхности подложки полупроводника и отбирать тепло также, как это происходит в двигателе внутреннего сгорания автомобиля. Однако есть одно существенное отличие: солнечная батарея с жидкостным охлаждением не имеет радиатора с вентиляторами. Теплая вода используется для бытовых нужд.

Солнечные батареи последнего поколения

В одной из новых разработок ученых из Калифорнии проблема перегрева пластин полностью снимается с повестки дня. Изобретатели решили не охлаждать полупроводники, а не допускать повышения их температуры. Путь инфракрасному излучению преграждает кварцевое стекло толщиной в несколько микрон, отформованное в виде цепочки тысяч маленьких пирамид. Через эту преграду легко проходят фотоны света, которые «бьют» по электронам двухслойной поверхности, вызывая их отрыв, и возникновение электрического напряжения. В солнечных батареях нового поколения обязательно будут реализованы решения, основанные на отличии в способности к преломлению у волн разной длины.

Одним из перспективных направлений развития альтернативной энергетики является соединение в рамках одного устройства фотоэлементов и полимерных пленок, которые способны вырабатывать электричество при нагревании. Главным недостатком подобного оборудования, предлагаемого сегодня на рынке, является высокая цена. Прирост по энергии не превышает 25%, а себестоимость увеличивается на 50%. Потребителями гибридных панелей могут стать горожане, у которых ограничено место под размещение солнечных батарей, что стимулирует их готовность платить за любой прирост КПД.

Самым последним поколением солнечных батарей принято считать устройства, появившиеся в 2016 году на рынке. Это полупроводники, заключенные во влагозащищенный прочный корпус в виде конуса. Каждый фотоэлемент «обслуживается» несколькими линзами, через которые направляется свет. Охлаждение достигается за счет вращения вокруг своей оси на сложной системе, использующей магниты. Автономный датчик «следит» за положением Солнца и передает данные в управляющий блок, который дает команду на разворот плоскости с фотоэлементами, регулирует положение линз, следит за температурой рабочей поверхности. Каждый узел системы представляет собой независимую станцию по выработке электричества, а вариативность их подключения дает возможность регулировать напряжение и силу тока. Кроме футуристического внешнего вида конусные батареи имеют 2 преимущества: не требуют много места для размещения и легко монтируются. Недостатком является высокая цена, по которой эти установки предлагаются потребителям. В рекламных буклетах производителей утверждается, что при выходе на объем производства продукции, превышающий в натуральном выражении 10000000 штук, стоимость выработки 1 кВт электроэнергии приблизится к десяти центам.

Несмотря на множество интересных разработок, приходиться констатировать, что прогресс в области совершенствования солнечных батарей идет достаточно медленно по сравнению, например, со средствами связи или компьютерной техникой. Отражением данного факта является достаточно высокая цена панелей и долгий срок окупаемости бытовых электростанций.

Полное руководство по типам солнечных панелей

Стремление к использованию возобновляемых источников энергии привело к резкому увеличению использования солнечной энергии. Только за последнее десятилетие солнечная промышленность выросла почти на 50% благодаря федеральной поддержке, такой как Налоговый кредит на инвестиции в солнечную энергию, и высокому коммерческому и промышленному спросу на экологически чистую энергию.

Поскольку сектор солнечной энергетики продолжает расти, стоит изучить основу солнечной промышленности: солнечные панели.

В этом руководстве показаны различные типы солнечных панелей, представленных сегодня на рынке, их сильные и слабые стороны, а также то, какие из них лучше всего подходят для конкретных случаев использования.

 

Что такое солнечная панель?

Солнечные панели используются для сбора солнечной энергии солнца и преобразования ее в электричество.

Типичная солнечная панель состоит из отдельных солнечных элементов, каждый из которых состоит из слоев кремния, бора и фосфора. Слой бора обеспечивает положительный заряд, слой фосфора обеспечивает отрицательный заряд, а кремниевая пластина действует как полупроводник.

Когда солнечные фотоны ударяются о поверхность панели, они выбивают электроны из кремниевого «бутерброда» в электрическое поле, создаваемое солнечными элементами.Это приводит к направленному току, который затем превращается в полезную мощность.

Весь процесс называется фотоэлектрическим эффектом, поэтому солнечные панели также известны как фотоэлектрические панели или фотоэлектрические панели. Типичная солнечная панель содержит 60, 72 или 90 отдельных солнечных элементов.

 

Четыре основных типа солнечных панелей

Сегодня на рынке доступны 4 основных типа солнечных панелей: монокристаллические, поликристаллические, PERC и тонкопленочные панели.

Монокристаллические солнечные панели

Также известные как монокристаллические панели, они сделаны из одного кристалла чистого кремния, который разрезается на несколько пластин. Поскольку они сделаны из чистого кремния, их легко узнать по темно-черному цвету. Использование чистого кремния также делает монокристаллические панели наиболее компактными и долговечными среди всех трех типов солнечных панелей.

Однако за это приходится платить — на производство одной монокристаллической ячейки тратится много кремния, иногда превышающее 50%.Это приводит к здоровенный ценник.

Поликристаллические солнечные панели

Как следует из названия, они состоят из разных кристаллов кремния, а не из одного. Фрагменты кремния расплавляют и заливают в квадратную форму. Это делает поликристаллические элементы гораздо более доступными, так как почти нет отходов, и придает им характерную квадратную форму.

Однако это также делает их менее эффективными с точки зрения преобразования энергии и занимаемой площади, поскольку их чистота кремния и конструкция ниже, чем у монокристаллических панелей.Они также имеют более низкую термостойкость, что означает, что они менее эффективны в высокотемпературных средах.

Пассивированные панели излучателя и задней ячейки (PERC)

Солнечные панели

PERC являются усовершенствованием традиционных монокристаллических элементов. Эта относительно новая технология добавляет пассивирующий слой на заднюю поверхность ячейки, что повышает эффективность несколькими способами:

  • Он отражает свет обратно в клетку, увеличивая количество поглощаемой солнечной радиации.
  • Уменьшает естественную склонность электронов к рекомбинации и подавляет поток электронов в системе.
  • Позволяет отражать свет с большей длиной волны. Световые волны с длиной волны более 1180 нм не могут поглощаться кремниевыми пластинами и просто проходят сквозь них, поэтому в конечном итоге они нагревают металлический задний лист ячейки и снижают ее эффективность. Пассивирующий слой отражает эти более высокие длины волн и не дает им нагревать задний лист.

Панели

PERC обеспечивают больший сбор солнечной энергии при меньшей занимаемой площади, что делает их идеальными для ограниченного пространства.Их производство лишь немного дороже, чем традиционные панели, из-за необходимых дополнительных материалов, но их можно производить на том же оборудовании, и в конечном итоге средняя стоимость на ватт может быть ниже из-за их эффективности.

Чтобы лучше понять преимущества панелей PERC, ознакомьтесь с нашим блогом «5 важных преимуществ солнечных панелей PERC, которые вам нужно знать».

Тонкопленочные солнечные панели

Тонкопленочные панели характеризуются очень тонкими слоями, достаточно тонкими, чтобы быть гибкими.Каждая панель не требует подложки для рамы, что делает их легче и проще в установке. В отличие от панелей из кристаллического кремния, которые имеют стандартные размеры на 60, 72 и 96 ячеек, тонкопленочные панели могут иметь разные размеры в соответствии с конкретными потребностями. Однако они менее эффективны, чем типичные кремниевые солнечные панели.

 

Варианты тонкопленочных солнечных панелей

В отличие от кристаллических панелей, в которых используется кремний, тонкопленочные солнечные панели изготавливаются из других материалов.Это:

  • Теллурид кадмия (CdTe)
  • Аморфный кремний (a-Si)
  • Селенид меди, индия, галлия (CIGS) 

Теллурид кадмия (CdTe)

CdTe имеет то же преимущество низкой стоимости, что и поликристаллические элементы, при этом обладая самым низким углеродным следом, потребностью в воде и временем окупаемости энергии среди всех типов солнечных панелей. Однако токсичность кадмия делает переработку более дорогой, чем другие материалы.

Аморфный кремний (a-Si)

Панели из аморфного кремния (A-Si) получили свое название из-за своей бесформенной природы.В отличие от моно- и поликристаллических солнечных элементов кремний не структурирован на молекулярном уровне.

В среднем, элемент a-Si требует лишь части кремния, необходимого для производства типичных кремниевых элементов. Это позволяет им иметь самые низкие производственные затраты за счет эффективности. Вот почему панели a-Si подходят для приложений, требующих очень мало энергии, таких как карманные калькуляторы.

Селенид меди, индия, галлия (CIGS) 

В панелях

CIGS используется тонкий слой меди, индия, галлия и селена, нанесенный на стеклянную или пластиковую подложку.Комбинация этих элементов приводит к самой высокой эффективности среди тонкопанельных типов, хотя и не такой эффективной, как панели из кристаллического кремния.

 

Типы солнечных панелей по эффективности

Среди всех типов панелей кристаллические солнечные панели имеют самый высокий КПД.

  • Монокристаллические панели имеют КПД более 20%.
  • Панели

  • PERC повышают эффективность на 5 % благодаря пассивирующему слою.
  • Поликристаллические панели колеблются где-то между 15-17%.

Напротив, тонкопленочные панели обычно на 2-3% менее эффективны, чем кристаллический кремний. В среднем:

  • Панели CIGS имеют КПД в диапазоне 13-15%.
  • CdTe колеблется в пределах 9-11%.
  • a-Si имеют самый низкий КПД на уровне 6-8%.
Тип панели Эффективность
ПЕРК Самый высокий (на 5 % больше, чем монокристаллический)
Монокристаллический 20% и выше
Поликристаллический 15-17%
Селенид меди, индия, галлия (CIGS) 13-15%
Теллурид кадмия (CdTe) 9-11%
Аморфный кремний (a-Si) 6-8%

 

Типы солнечных панелей по мощности

Монокристаллические элементы

имеют самую высокую мощность благодаря своей монокристаллической конструкции, которая обеспечивает более высокую выходную мощность в меньшем корпусе. Большинство монокристаллических панелей могут генерировать мощность до 300 Вт.

Последние достижения в области солнечных технологий позволили поликристаллическим панелям сократить разрыв. Стандартная поликристаллическая панель с 60 ячейками теперь способна производить от 240 до 300 Вт. Тем не менее, монокристаллические панели по-прежнему превосходят поликристаллические по мощности на ячейку.

Поскольку тонкопленочные панели не имеют одинаковых размеров, не существует стандартной меры мощности, и мощность одной тонкопленочной панели будет отличаться от другой в зависимости от ее физического размера.В целом, при одинаковых физических размерах обычные кристаллические панели выдают больше энергии, чем тонкопленочные панели того же размера.

 

Типы солнечных панелей по стоимости

Монокристаллические панели (или модули, как их технически называют) имеют высокую цену из-за энергоемкого и неэффективного производственного процесса, при котором выход каждого кристалла кремния составляет всего 50%.

Поликристаллические модули дешевле, потому что в них используются фрагменты кристаллов, оставшиеся от монокристаллического производства, что приводит к упрощению производственного процесса и снижению производственных затрат.

Среди тонкопленочных солнечных панелей самыми дорогими являются CIGS, за которыми следуют CdTe и аморфный кремний. Помимо более низкой стоимости приобретения, тонкопленочные модули проще в установке благодаря их меньшему весу и гибкости, что снижает стоимость рабочей силы.

В то время как общая стоимость систем для жилых помещений за последнее десятилетие снизилась более чем на 65 %, фактические затраты на систему фактически выросли с 58 % от общей стоимости системы в 2014 г. до 65 % в 2020 г.

Для получения дополнительной информации о мягких затратах ознакомьтесь с нашей статьей о мягких затратах в солнечной отрасли и о том, что делается для их сокращения.

Тип панели (модуль) Средняя стоимость за ватт
ПЕРК 0,32–0,65 $
Монокристаллический $1 – $1,50
Поликристаллический 0,70–1 долл. США
Селенид меди, индия, галлия (CIGS) 0,60–0,70 $
Теллурид кадмия (CdTe) $0.50 – 0,60 долл. США
Аморфный кремний (a-Si) 0,43–0,50 $

Обратите внимание, что эти цифры не включают стоимость установки и работы. С учетом труда и других накладных расходов общая сумма может возрасти до 2,50-3,50 долларов за ватт.

 

Другие факторы, которые следует учитывать

Температура

Температура солнечной панели может повлиять на ее способность генерировать энергию. Эта потеря выходной мощности отражается через температурный коэффициент, который является мерой снижения выходной мощности панели на каждый 1°C повышения температуры выше 25°C (77°F).

Монокристаллические и поликристаллические панели имеют температурный коэффициент от -0,3%/°C до -0,5%/°C, тогда как тонкопленочные панели ближе к -0,2%/°C. Это означает, что тонкопленочные панели могут быть хорошим вариантом для более жарких условий или мест, где в течение года больше солнечного света.

Огнестойкость

Обновленные Международные строительные нормы и правила от 2012 года требуют, чтобы солнечные панели соответствовали огнестойкости крыши, на которой они установлены. Это делается для того, чтобы модули не ускоряли распространение пламени в случае пожара.(Калифорния делает еще один шаг вперед, требуя, чтобы вся фотоэлектрическая система, включая систему стеллажей, имела одинаковую огнестойкость).

Таким образом, солнечные панели теперь имеют тот же рейтинг классификации, что и крыши:

.

Класс А
  • эффективен при испытаниях на сильное возгорание
  • Распространение пламени не должно превышать 6 футов
  • требуется для территорий, граничащих с дикой природой и городом, или районов с высокой степенью пожароопасности и риска лесных пожаров
Класс В
  • эффективен при умеренном воздействии огня
  • Распространение пламени не должно превышать 8 футов
Класс С
  • эффективен против воздействия светового огня
  • Распространение пламени не должно превышать 13 футов

 

Рейтинг града

Солнечные панели

также тестируются на воздействие града.

Стандарты

UL 1703 и UL 61703 касаются града путем сбрасывания 2-дюймовых твердых стальных сфер на солнечные панели с высоты 51 дюйм и стрельбы 1-дюймовыми ледяными шарами по фотоэлектрическим панелям из пневматической пушки для имитации ударов града.

Из-за своей более толстой конструкции кристаллические панели могут выдерживать удары градом на скорости до 50 миль в час, в то время как тонкопленочные солнечные панели имеют более низкий рейтинг из-за их тонкой и гибкой природы.

Рейтинг урагана

Несмотря на то, что официальной классификации ураганов по солнечной энергии не существует, Министерство энергетики недавно расширило свои рекомендуемые технические требования к конструкции солнечных панелей для защиты от неблагоприятных погодных условий.

Новые рекомендации включают: 

  • Модули с самым высоким рейтингом ASTM E1830-15 по снеговой и ветровой нагрузке как спереди, так и сзади.
  • Крепежные детали с надежной блокировкой в ​​соответствии со стандартом DIN 65151
  • Использование сквозных болтовых модулей с замковыми креплениями вместо зажимных креплений
  • Использование трехрамных рельсовых систем для повышения жесткости и защиты от скручивания
  • Трубчатые рамы над открытыми С-образными швеллерами
  • Ограждение по периметру фотоэлектрических систем для замедления ветра

Светоиндуцированная деградация (LID)

LID — это потеря производительности, обычно наблюдаемая в кристаллических панелях в течение первых нескольких часов пребывания на солнце. Это происходит, когда солнечный свет вступает в реакцию со следами кислорода, оставшимися после производственного процесса, что влияет на структуру решетки кремния.

Потери LID напрямую связаны с качеством изготовления и могут составлять от 1 до 3%.

 

Резюме: Сравнение типов солнечных панелей

ПЕРК Монокристаллический Поликристаллический Тонкопленочный
Первоначальная стоимость Самый высокий Высокий Средний От высшего к низшему:

СИГС

CdTe

а-Си

Эффективность Самый высокий (на 5 % больше, чем монокристаллический) 20% и выше 15-17% CIGS: 13-15%

CdTe: 9-11%

a-Si: 6-8%

Внешний вид Черный с закругленными краями Черный с закругленными краями Синий с квадратными краями В зависимости от тонкопленочного варианта
Преимущества Требуется минимум места

Самый эффективный

Максимальная мощность

Менее дорогая альтернатива панелям PERC без пассивирующего слоя Средний вариант по стоимости, эффективности и мощности Самая низкая стоимость Проще установить
Недостатки Самый дорогой изначально

Некоторые более ранние панели подвергались деградации под воздействием света и повышенной температуры

Высокая начальная стоимость

Низкий выход в производственном процессе

Низкая термостойкость, не подходит для жарких сред Срок службы короче, чем у кристаллических панелей, требуется больше места

Наименее эффективный

 

Итак, какой тип солнечной панели вам следует использовать?

Так как у кристаллических и тонкопленочных панелей есть свои плюсы и минусы, выбор солнечной панели в конечном итоге сводится к вашим конкретным свойствам и параметрам состояния .

Ограниченное пространство

Те, кто живет в густонаселенных районах с ограниченным пространством, должны выбрать высокоэффективные монокристаллические модули, чтобы максимально использовать физическое пространство и максимизировать экономию на коммунальных услугах. Если позволяет бюджет, переход на панели PERC может еще больше снизить затраты на производство энергии в долгосрочной перспективе.

Крупные объекты

Те, у кого есть достаточно большая недвижимость, могут сэкономить на первоначальных затратах, используя поликристаллические солнечные панели, где большая площадь панели может компенсировать более низкую эффективность панели.Тем не менее, большая занимаемая площадь также может означать дополнительные затраты на рабочую силу, поэтому приобретение большего количества менее дорогих панелей не обязательно обходится дешевле. Хотя первоначальные затраты могут быть низкими, в конечном итоге они могут быть компенсированы снижением эффективности и более высокими операционными расходами в долгосрочной перспективе.

Что касается тонкопленочных солнечных панелей, то они лучше всего подходят для мест, где невозможна тяжелая и трудоемкая установка кристаллического кремния. Такие места могут включать коммерческие здания с ограниченным пространством или тонкими крышами; компактные пространства, такие как транспортные средства для отдыха и плавсредства; и области, которые требуют гибкой установки вместо жестких панелей.

Имейте в виду, что солнечные панели рассчитаны на долгосрочную установку, которая может достигать 25 лет. Поэтому, какой бы тип вы ни выбрали, обязательно сделайте домашнее задание, чтобы убедиться, что это лучший вариант для ваших нужд.

Чтобы узнать больше об основах солнечной энергетики, подпишитесь на наш блог.

 

 

Что такое солнечные батареи? (включая типы, эффективность и разработки)

Все солнечные элементы имеют одинаковую базовую структуру.Свет входит в систему через оптическое покрытие или просветляющий слой, который сводит к минимуму потери света при отражении. Это улавливает свет и способствует его передаче нижележащим слоям преобразования энергии. Этот верхний просветляющий слой обычно представляет собой оксид кремния, тантала или титана и формируется методом центрифугирования или вакуумного осаждения.

Под верхним просветляющим слоем находятся три слоя преобразования энергии. Это верхний соединительный слой, абсорбирующий слой и задний соединительный слой.Есть также два дополнительных электрических контактных слоя для проведения электрического тока к внешней нагрузке, а затем обратно к ячейке для замыкания электрической цепи.

В верхнем электрическом контактном слое на поверхности элемента используется сетчатый рисунок, состоящий из материала с хорошей проводимостью, такого как металл. Однако, поскольку металл блокирует свет, линии сетки тонкие и широко разнесены, чтобы пропускать свет, а также собирать электрический ток. Задний электрический контактный слой не имеет таких ограничений и обычно изготавливается исключительно из металла.

Для поддержания высокой эффективности поглотитель солнечных элементов должен быть способен поглощать электромагнитное излучение на длинах волн видимого света. Материалы, способные поглощать это видимое излучение, называются полупроводниками, и их толщина может составлять всего одну сотую сантиметра или меньше. Формирующий переход и контактные слои еще тоньше, а это означает, что толщина солнечного элемента в основном равна толщине поглотителя. Полупроводниковые материалы, используемые в солнечных элементах, включают селенид меди, индия, арсенид галлия, фосфид индия и кремний.

Когда свет попадает на солнечный элемент, электроны в поглощающем слое переходят из «основного состояния» с более низкой энергией, где они связаны с определенными атомами твердого тела, в «возбужденное состояние», когда они могут свободно перемещаться через твердое тело. . Слои, образующие переход, создают встроенное электрическое поле, которое создает фотогальванический эффект. Это электрическое поле создает коллективное движение электронов, так что они проходят мимо электрических контактных слоев во внешнюю цепь. Два слоя, образующих переход, должны быть непохожими на поглотитель, чтобы создавать электрическое поле для переноса электрического тока.В результате это могут быть разные полупроводники (или одни и те же с разным типом проводимости) или металл и полупроводник. Солнечные батареи должны покрывать как можно большую площадь, поскольку количество производимой энергии пропорционально освещаемой площади.

Поскольку солнечные батареи не могут производить энергию в темноте, они сохраняют часть энергии, чтобы ее можно было использовать, когда свет недоступен. Это может происходить путем зарядки электрохимических аккумуляторных батарей и аналогично процессу фотосинтеза в растениях.

Итого:

  1. Солнечный свет падает на поверхность клетки
  2. Энергия переносится через слои клетки в виде фотонов
  3. Фотоны отдают свою энергию электронам в нижнем слое
  4. Электроны используют эту энергию, чтобы прыгнуть обратно в верхний слой и уйти в цепь
  5. Электроны, протекающие по цепи, обеспечивают питание устройства

Солнечные элементы можно разделить на три основных типа: кристаллические кремниевые, тонкопленочные солнечные элементы и новейшие разработки, представляющие собой смесь двух других.

1. Элементы из кристаллического кремния

Около 90% солнечных элементов изготавливаются из пластин кристаллического кремния (c-Si), которые нарезаются из крупных слитков, выращенных в лабораториях. Эти слитки растут в течение месяца и могут принимать форму одного или нескольких кристаллов. Монокристаллы используются для создания монокристаллических солнечных панелей и элементов (моно-Si), а несколько кристаллов используются для поликристаллических панелей и элементов (мульти-Si или поли-c-Si).

В этих солнечных элементах используется слиток n-типа, который изготавливается путем нагревания кусков кремния с небольшим количеством фосфора, сурьмы или мышьяка в качестве легирующей примеси.Слиток n-типа соединен со слоем кремния p-типа, в котором в качестве легирующей примеси используется бор. Слитки n-типа и p-типа сплавляются для создания соединения в процессе, впервые разработанном в 1954 году.

Монокристаллические клетки имеют характерный внешний вид и часто окрашены, а также имеют тенденцию иметь цилиндрическую форму. Этим ячейкам придают форму, что может быть расточительно, но обеспечивает высочайший уровень эффективности. Поликристаллические элементы не нужно обрезать по форме, так как кремний расплавляется и заливается в квадратные формы.Поликристаллические солнечные панели считаются средним вариантом как с точки зрения цены, так и эффективности.

2. Тонкопленочные солнечные элементы

Кристаллические кремниевые элементы сделаны из пластин толщиной всего в доли миллиметра (около 200 микрометров, 200 мкм), однако тонкопленочные солнечные элементы, также называемые тонкопленочными фотоэлектрическими элементами, примерно в 100 раз тоньше. Эти тонкопленочные солнечные панели и элементы изготовлены из аморфного кремния (a-Si), в котором атомы расположены случайным образом, а не в упорядоченной кристаллической структуре.Эти пленки также могут быть изготовлены из теллурида кадмия (Cd-Te), диселенида меди, индия, галлия (CIGS) или органических фотоэлектрических материалов.

Эти элементы производятся путем наслоения фотоэлектрических элементов для создания модуля и являются самым дешевым вариантом для производства солнечных панелей. Ячейки можно ламинировать на окна, световые люки, кровельную черепицу и другие подложки, включая стекло, металлы и полимеры. Однако, несмотря на эту гибкость, они не так эффективны, как обычные элементы из кристаллического кремния. В то время как элементы из кристаллического кремния могут обеспечить КПД 20%, эти тонкопленочные элементы достигают КПД только около 7%.Даже самые лучшие элементы CIGS едва достигают эффективности 12%.

4. Солнечные элементы третьего поколения

Новейшие технологии солнечных элементов сочетают в себе лучшие характеристики кристаллического кремния и тонкопленочных солнечных элементов, обеспечивая высокую эффективность и повышенную практичность в использовании. Они, как правило, изготавливаются из аморфного кремния, органических полимеров или кристаллов перовскита и имеют несколько переходов, состоящих из слоев различных полупроводниковых материалов.

Эти элементы потенциально могут быть дешевле, эффективнее и практичнее, чем другие типы элементов, и было показано, что они могут достигать эффективности около 30% (с тандемным солнечным элементом перовскит-кремний).

Солнечные элементы могут производить электричество только на основе света, который они получают и способны обрабатывать. Большинство клеток преобразуют только 10-20% энергии, которую они получают, в электричество, при этом наиболее эффективные клетки лабораторных клеток достигают эффективности около 45% в идеальных условиях. Причина этого в том, что солнечные элементы оптимизированы для захвата фотонов только из определенного диапазона частот, а фотоны за пределами этого диапазона тратятся впустую. Кроме того, из тех, что находятся в полосе частот, некоторым фотонам не хватает энергии, необходимой для создания электронов, в то время как у других ее слишком много, поэтому избыток тратится впустую.

Большинство реальных солнечных панелей достигают КПД только 10-20%, поскольку реальные факторы, такие как конструкция панели, расположение, выравнивание, тени, тепло и отсутствие чистоты, могут снизить оптимальную эффективность.

Этот общий КПД солнечного элемента определяется комбинацией эффективности разделения носителей заряда, эффективности проводимости, эффективности отражения и термодинамической эффективности.

Производство солнечных элементов состоит из семи этапов:

Этап первый: очистка кремния

Диоксид кремния помещают в электродуговую печь и применяют угольную дугу для высвобождения кислорода.При этом остаются углекислый газ и расплавленный кремний, что дает кремний с примесью всего 1%, но даже он недостаточно чистый для использования в солнечных элементах. Стержни из 99-процентного кремния несколько раз пропускают в одном и том же направлении через нагретую зону в процессе, называемом методом плавающей зоны. При повторении этого процесса все загрязнения притягиваются к одному концу стержня, что в конечном итоге позволяет просто удалить этот нечистый конец.

Второй этап: создание монокристаллического кремния

Наиболее распространенный метод создания монокристаллического кремния называется методом Чохральского, при котором затравочный кристалл кремния погружается в расплавленный поликристаллический кремний.При вращении этого затравочного кристалла по мере его извлечения из расплавленного поликристалла создается цилиндрический слиток или буля.

Третий этап: вырезание кремниевых пластин

Буля со второго этапа разрезается на кремниевые пластины с помощью циркулярной пилы. Алмаз — лучший материал для пилы для этой работы, производящий пластины кремния, которые затем можно разрезать, чтобы сформировать квадраты или шестиугольники, которые легче соединить вместе на поверхности солнечного элемента. Затем нарезанные пластины обычно полируют, чтобы удалить следы от пилы, хотя некоторые производители оставляют эти дефекты, поскольку считается, что более грубые ячейки могут эффективнее поглощать свет.

Четвертый этап: допинг

После очистки кремния на более ранней стадии в материал теперь могут быть добавлены примеси. Этот процесс называется легированием и обычно включает использование ускорителя частиц для запуска ионов фосфора в слиток. Управление скоростью ионов позволяет контролировать глубину проникновения. Эту часть процесса можно пропустить, используя более традиционный метод введения бора при резке пластин.

Пятый этап: добавление электрических контактов

Электрические контакты соединяют солнечные элементы друг с другом и действуют как приемник производимого тока.Эти контакты тонкие, чтобы не блокировать попадание солнечного света в ячейку, и сделаны из металлов, таких как палладий или медь. Металл либо выпаривают в вакууме через фоторезист, либо наносят на открытую часть ячеек, частично покрытых воском. После того, как контакты установлены, между ячейками помещаются тонкие полоски, обычно из луженой меди.

Этап шестой: добавьте антибликовое покрытие

Блестящая природа кремния означает, что он может отражать до 35% падающего на него солнечного света.На кремний нанесено антибликовое покрытие, чтобы уменьшить количество солнечного света, теряемого при отражении. Для этого обычно используются диоксид титана и оксид кремния, при этом материал нагревается до тех пор, пока молекулы не выкипают и не перемещаются на кремний, где они конденсируются. В качестве альтернативы можно использовать высокое напряжение для удаления молекул из материала и осаждения их на кремний на противоположном электроде в процессе, называемом «распылением».

Седьмой этап: инкапсуляция клетки

Наконец, солнечные элементы герметизируются силиконовой резиной или этиленвинилацетатом и помещаются в алюминиевую раму с задней панелью и стеклянной или пластиковой крышкой для защиты.

Количество потенциальной энергии, поступающей на Землю от Солнца каждый день, вполне достаточно для удовлетворения всех наших потребностей в производстве электроэнергии. Однако, как упоминалось выше, большинство солнечных элементов способны улавливать только около 15% доходящего до них света. Конечно, чем больше солнечная панель или массив, тем больше энергии она может улавливать.

Поскольку монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные солнечные элементы имеют разную эффективность, мы рассмотрим наиболее распространенный тип солнечных элементов на основе кристаллического кремния.

Один солнечный элемент (размером с компакт-диск) может генерировать 3-4,5 Вт. Поместив 40 таких ячеек вместе в модуль типичного размера, вы можете генерировать 100-300 Вт. Разместив несколько таких модулей вместе, чтобы сформировать несколько солнечных панелей, можно генерировать несколько киловатт энергии, которых должно быть достаточно для удовлетворения пиковых энергетических потребностей большинства домов. Солнечные фермы могут производить еще больше энергии: по оценкам, для производства 4 потребуется 22 000 панелей на 30 акрах.2 мегаватта мощности; достаточно для питания 1200 домов.

Для сравнения, потребуется 500-1000 солнечных установок на крыше, чтобы соответствовать мощности, вырабатываемой большой ветряной турбиной (2-3 мегаватта), в то время как для достижения мощности крупного угольного завода потребуется около миллиона солнечных установок на крыше. или атомная станция (которые оцениваются в гигаваттах).

Это приводит к вопросам о способности солнечной энергии удовлетворять наши энергетические потребности в будущем…

Солнечная энергетика уже дает много преимуществ для пользователей, а также помогает смягчить негативное воздействие производства электроэнергии на ископаемом топливе на окружающую среду. Помимо снижения загрязнения воздуха и выбросов углекислого газа, связанных с переходом на солнечную энергию, есть и преимущества на более локальном уровне, поскольку производство электроэнергии размещается в месте ее использования.

В самом маленьком масштабе это позволило нам питать часы и калькуляторы без батареек, в то время как дорожные и железнодорожные знаки также могут питаться от солнечной энергии, поэтому их можно использовать даже в самых отдаленных местах. Солнечная энергия также используется в некоторых странах для питания водяных насосов, телефонных будок и даже холодильных установок в больницах и поликлиниках.

В настоящее время ведутся разработки по созданию самоочищающихся покрытий для солнечных панелей для повышения их эффективности, а также проекты по сокращению отходов материалов при производстве (см. пример OLEDSOLAR ниже).

В будущем, по мере сокращения ресурсов ископаемого топлива, будет возрастать потребность в использовании возобновляемых источников энергии, включая солнечную. Сторонники «солнечной экономики» считают, что большую часть наших глобальных энергетических потребностей можно удовлетворить за счет солнечных панелей, работающих с эффективностью 20% и покрывающих всего 191 817 квадратных миль поверхности Земли.Это возможно, по крайней мере теоретически, учитывая, что кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре.

Хотя заманчиво видеть, что дешевый, чистый и возобновляемый источник солнечного света используется для питания человечества, достижения в области других возобновляемых ресурсов, таких как энергия ветра, делают это маловероятным. Наоборот, более вероятно, что солнечная энергия будет лишь частью общего комплекса возобновляемых источников энергии, состоящего из различных источников.

Тем не менее, солнечная энергия по-прежнему найдет локальное применение в меньших масштабах, особенно в развивающихся странах с подходящим климатом.Солнечная энергия также идеально подходит для домашнего и мелкомасштабного коммерческого использования, что заставляет некоторых предвидеть время, когда каждый сможет отключиться от сети и создать свои собственные личные источники энергии. Хотя это заманчивая идея, другие считают, что сеть необходимо поддерживать, чтобы мы могли гарантировать, что каждый получит необходимую мощность независимо от обстоятельств.

Солнечные батареи широко используются в качестве возобновляемого источника энергии в масштабах от самых маленьких портативных устройств до обеспечения энергией целых сообществ.Поскольку движение к достижению нулевых выбросов углерода продолжается, солнечная энергия, похоже, станет частью общего баланса возобновляемых источников энергии. Это приведет к инвестициям и технологическим достижениям, а также к снижению затрат на солнечные энергетические системы.

Подробнее о работе TWI в этой отрасли можно узнать здесь.

Связанные часто задаваемые вопросы (FAQ)

Типы фотоэлектрических элементов — Energy Education

Рисунок 1. Солнечная панель, состоящая из множества монокристаллических элементов. [1]

Фотоэлектрические элементы или Фотоэлектрические элементы могут быть изготовлены различными способами и из различных материалов. Несмотря на эту разницу, все они выполняют одну и ту же задачу по сбору солнечной энергии и преобразованию ее в полезную электроэнергию. Наиболее распространенным материалом для изготовления солнечных панелей является кремний, обладающий полупроводниковыми свойствами. [2] Несколько таких солнечных элементов необходимы для создания солнечной панели, а многие панели составляют фотогальваническую батарею.

На мировом рынке преобладают три типа фотоэлементов: монокристаллический кремний, поликристаллический кремний и тонкопленочные. Фотоэлектрические технологии с более высокой эффективностью, включая арсенид галлия и многопереходные элементы, менее распространены из-за их высокой стоимости, но идеально подходят для использования в концентрированных фотоэлектрических системах и космических приложениях. [3] Существует также ряд новых технологий фотоэлементов, которые включают перовскитные элементы, органические солнечные элементы, сенсибилизированные красителем солнечные элементы и квантовые точки.

Монокристаллический кремниевый элемент

Первые коммерчески доступные солнечные элементы были изготовлены из монокристаллического кремния, который представляет собой чрезвычайно чистую форму кремния. Для их производства затравочный кристалл вытягивается из массы расплавленного кремния, создавая цилиндрический слиток с единой непрерывной структурой кристаллической решетки. Затем этот кристалл механически распиливают на тонкие пластины, полируют и легируют для создания необходимого p-n перехода. После нанесения антибликового покрытия и добавления переднего и заднего металлических контактов ячейка окончательно подключается и упаковывается вместе со многими другими ячейками в полноценную солнечную панель. [3] Монокристаллические кремниевые элементы очень эффективны, но их производственный процесс медленный и трудоемкий, что делает их более дорогими, чем их поликристаллические или тонкопленочные аналоги.

Рис. 2. Изображение, сравнивающее поликристаллический кремниевый элемент (слева) и монокристаллический кремниевый элемент (справа). [4]

Ячейка из поликристаллического кремния

Вместо единой однородной кристаллической структуры поликристаллические (или мультикристаллические) клетки содержат множество мелких зерен кристаллов (см. рис. 2).Их можно изготовить, просто отлив кубический слиток из расплавленного кремния, затем распилив и упаковав подобно монокристаллическим элементам. Другой метод, известный как выращивание с подачей пленки по краям (EFG), включает вытягивание тонкой ленты поликристаллического кремния из массы расплавленного кремния. Более дешевая, но менее эффективная альтернатива, поликристаллические кремниевые фотоэлементы доминируют на мировом рынке, на них приходится около 70% мирового производства фотоэлектрических модулей в 2015 году. [3]

Тонкопленочные ячейки

Рисунок 3.Тонкопленочная солнечная панель, состоящая из некристаллического кремния, нанесенного на гибкий материал. [5]

Хотя на рынке преобладают кристаллические фотоэлементы, элементы также могут быть изготовлены из тонких пленок, что делает их гораздо более гибкими и долговечными. Одним из типов тонкопленочных фотоэлементов является аморфный кремний (a-Si), который производится путем нанесения тонких слоев кремния на стеклянную подложку. В результате получается очень тонкая и гибкая ячейка, в которой используется менее 1% кремния, необходимого для кристаллической ячейки. [3] Из-за такого сокращения сырья и менее энергоемкого производственного процесса производство элементов из аморфного кремния намного дешевле. Однако их эффективность значительно снижается, потому что атомы кремния гораздо менее упорядочены, чем в их кристаллических формах, оставляя «оборванные связи», которые в сочетании с другими элементами делают их электрически неактивными. Эти элементы также страдают от падения эффективности на 20% в течение первых нескольких месяцев работы до стабилизации, и поэтому продаются с номинальной мощностью, основанной на их ухудшенной выходной мощности. [3]

Другие типы тонкопленочных элементов включают диселенид меди-индия-галлия (CIGS) и теллурид кадмия (CdTe). Эти технологии элементов обеспечивают более высокую эффективность, чем аморфный кремний, но содержат редкие и токсичные элементы, включая кадмий, что требует дополнительных мер предосторожности во время производства и возможной переработки. [3]

Высокоэффективные элементы

Были разработаны и другие технологии ячеек, которые работают с гораздо более высокой эффективностью, чем упомянутые выше, но их более высокие материальные и производственные затраты в настоящее время препятствуют широкому коммерческому использованию.

Арсенид галлия

Кремний — не единственный материал, подходящий для кристаллических фотоэлементов. Арсенид галлия (GaAs) представляет собой альтернативный полупроводник, который отлично подходит для фотоэлектрических приложений. Арсенид галлия имеет кристаллическую структуру, аналогичную монокристаллическому кремнию, но с чередующимися атомами галлия и мышьяка.

Рис. 4. Космический корабль НАСА «Юнона» с многопереходными солнечными элементами на основе арсенида галлия. [6]

Благодаря более высокому коэффициенту поглощения света и более широкой запрещенной зоне элементы GaAs намного эффективнее, чем элементы из кремния.Кроме того, элементы GaAs могут работать при гораздо более высоких температурах без значительного снижения производительности, что делает их подходящими для концентрированных фотогальванических элементов. Ячейки GaAs производятся путем нанесения слоев галлия и мышьяка на основу из монокристалла GaAs, что определяет ориентацию роста нового кристалла. Этот процесс делает ячейки GaAs намного более дорогими, чем кремниевые, что делает их полезными только тогда, когда требуется высокая эффективность, например, в космических приложениях. [3]

Многоузловой

Большинство фотоэлементов, в том числе описанные выше, содержат только один p-n переход полупроводника, который преобразует энергию одной дискретной части солнечного спектра в полезное электричество.Ячейки с несколькими переходами имеют 2 или более соединений, расположенных друг над другом, что позволяет собирать энергию из нескольких частей спектра. Свет, который не поглощается первым слоем, проходит через последующие слои и взаимодействует с ними. Многопереходные элементы производятся так же, как и элементы из арсенида галлия: слои материала медленно осаждаются на монокристаллическую основу, что делает их очень дорогими в производстве и коммерчески жизнеспособными только в концентрированных фотоэлектрических системах и космических приложениях. [3]

Новые технологии сотовой связи

Электричество может быть получено за счет взаимодействия света со многими другими материалами. Солнечные элементы из перовскита , названные в честь их особой кристаллической структуры, могут быть изготовлены из органических соединений свинца и таких элементов, как хлор, бром или йод. Они относительно дешевы в производстве и могут похвастаться эффективностью, близкой к эффективности коммерчески доступных кремниевых элементов, но в настоящее время они ограничены коротким сроком службы. Органические солнечные элементы состоят из слоев полимеров и могут производиться дешево в больших объемах. Эти ячейки могут быть изготовлены в виде полупрозрачной пленки, но имеют относительно низкую эффективность. Сенсибилизированные красителем солнечные элементы могут быть изготовлены с использованием полупроводникового диоксида титана и слоя «сенсибилизатора» красителя толщиной всего в одну молекулу. Эти элементы могут похвастаться скромной эффективностью, но не могут выдерживать яркий солнечный свет без деградации. Квантовые точки используют нанотехнологии для управления полупроводниковыми материалами в чрезвычайно малых масштабах.«Наночастицы», состоящие всего из 10 000 атомов, могут быть настроены на разные части солнечного спектра в зависимости от их размера и объединены для поглощения широкого спектра энергии. Хотя теоретическая эффективность чрезвычайно высока, эффективность лабораторных испытаний все еще очень низка. [3]

Для дальнейшего чтения

Ссылки

Какой тип солнечной панели лучше? [Обновление 2021]

В этой статье мы хотим поделиться полезной информацией о солнечных панелях. Вы когда-нибудь задумывались о факторах, которые указывают, какой тип солнечной панели лучше всего подходит для вас и ваших приложений? Какие характеристики влияют на вашу покупку? Сегодня мы хотим поговорить о различных типах солнечных панелей, их спецификациях и функциях, а также провести простое сравнение между ними, чтобы облегчить задачу тем, кто собирается купить солнечные панели. Как обычно, начнем с определения; простое определение солнечной панели. Затем мы перейдем к тому, где мы поговорим о различных типах солнечных панелей, их преимуществах и недостатках, а также об особенностях.В конце концов, у нас есть отличное предложение для вас, чтобы сделать покупку лучше.

Наша команда собрала всю необходимую информацию по этой теме, чтобы избавиться от необходимости читать разнообразный контент на других сайтах. Оставайтесь с нами до конца, чтобы найти ответ на свой вопрос по этой теме. Итак, давайте начнем и наслаждаемся всей статьей.

Что такое солнечная панель?

Солнечные панели — это устройства, преобразующие свет в электричество. Они называются «солнечными» панелями, потому что в большинстве случаев самым мощным, бесплатным и абсолютно чистым доступным источником света является Солнце.Солнечная панель представляет собой набор фотоэлектрических элементов  , поэтому они называются фотоэлектрическими панелями. Солнечная панель состоит из множества маленьких солнечных элементов, разбросанных по большой площади и работающих вместе, чтобы обеспечить достаточную мощность, чтобы быть полезной. Чем больше света попадает на клетку, тем больше электричества она производит.

Фотогальванические элементы зажаты между слоями полупроводниковых материалов, таких как силикон. Каждый слой имеет различные электронные свойства, которые возбуждаются при попадании фотонов солнечного света, создавая электрическое поле.Это известно как фотоэлектрический эффект, создающий ток, необходимый для производства электричества.

Солнечные батареи генерируют постоянный ток электричества. Затем он проходит через инвертор для преобразования его в переменный ток, который затем может быть направлен в национальную сеть или использоваться дома или в офисе, к которому подключены солнечные панели.

Различные типы солнечных панелей и их характеристики

Теперь, когда вы знаете, что такое солнечная панель, как обычно она производится и для чего она предназначена, пришло время познакомиться с различными типами солнечных панелей и их особенностями.

Существует три основных типа солнечных панелей: монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные. Каждый тип имеет свои уникальные преимущества и недостатки, которые мы обсудим в следующих разделах. Ниже мы ответим на некоторые распространенные вопросы и рассмотрим проблемы, связанные с солнечными панелями. Итак, давайте начнем вопросы и ответы, которые мы подготовили. Читайте внимательно, чтобы вам было легче выбрать.

  1. Из чего сделаны различные типы солнечных панелей?

Как мы упоминали ранее, солнечные панели состоят из солнечных элементов, изготовленных из полупроводникового материала, преобразующего свет в электричество.Наиболее распространенным материалом, используемым в качестве полупроводника в солнечных элементах, является кремний.

Как монокристаллические, так и поликристаллические солнечные панели имеют элементы, изготовленные из кремниевых пластин. Чтобы построить монокристаллическую или поликристаллическую панель, пластины собираются в ряды и столбцы, образуя прямоугольник, покрываются стеклянным листом и обрамляются вместе. Но есть разница между составом кремния, используемого в монокристаллических и поликристаллических элементах. Монокристаллические солнечные элементы вырезаются из цельного чистого кристалла кремния.В качестве альтернативы, поликристаллические солнечные элементы состоят из фрагментов кристаллов кремния, которые сплавляются вместе в форме перед разрезанием на пластины.

История производства тонкопленочных солнечных панелей немного отличается. Тонкопленочные панели изготавливаются из различных материалов. Большинство тонкопленочных солнечных панелей часто изготавливаются из теллурида кадмия, аморфного кремния и селенида меди, индия, галлия, каждый из которых имеет уникальный процесс производства.

  1. Как насчет мощности и эффективности солнечной панели?

В зависимости от материалов и процедур, используемых при производстве каждого типа солнечной панели, каждый из них отличается по количеству энергии, которую он может производить.Давайте посмотрим, что нас ждет в рейтингах мощности и эффективности различных солнечных панелей. Мы приблизились к ответу на вопрос «какой тип солнечной панели лучше?».

2.1 Эффективность монокристаллических и поликристаллических солнечных панелей

Из всех типов панелей монокристаллические обычно имеют самый высокий КПД и мощность. Монокристаллические солнечные панели могут достигать эффективности выше 20 процентов, в то время как поликристаллические солнечные панели обычно имеют эффективность от 15 до 17 процентов.

Монокристаллические солнечные панели, как правило, генерируют больше энергии, чем другие типы панелей, не только из-за их эффективности, но и из-за того, что они поставляются с модулями более высокой мощности. Большинство монокристаллических солнечных панелей имеют мощность более 300 Вт (Вт), а некоторые в настоящее время даже превышают 400 Вт. С другой стороны, поликристаллические солнечные панели, как правило, имеют меньшую мощность.

Это не означает, что монокристаллические и поликристаллические солнечные панели физически не одного размера.Оба типа солнечных панелей, как правило, имеют по 60 кремниевых ячеек в каждой, а также варианты с 72 или 96 ячейками (обычно для крупномасштабных установок). Но даже при том же количестве ячеек монокристаллические панели способны производить больше электроэнергии.

2.2 Эффективность тонкопленочных солнечных панелей

Тонкопленочные солнечные панели, как правило, имеют более низкую эффективность и мощность, чем монокристаллические или поликристаллические разновидности. Эффективность будет варьироваться в зависимости от конкретного материала, используемого в элементах, но обычно они имеют эффективность ближе к одиннадцати процентам.

В отличие от монокристаллических и поликристаллических солнечных панелей, которые выпускаются в стандартных вариантах с 60, 72 и 96 ячейками, тонкопленочная технология не имеет одинаковых размеров. Таким образом, мощность от одной тонкопленочной панели к другой будет в значительной степени зависеть от ее физического размера. Вообще говоря, мощность на квадратный фут монокристаллических или поликристаллических солнечных панелей будет превышать технологию тонкопленочных панелей.

  1. Как насчет стоимости?

Поскольку производственные процессы каждого из этих типов различны, общая цена каждого из них также различна.В зависимости от материалов и технологий, используемых для производства различных солнечных панелей, стоимость будет варьироваться.

3.1 Монокристаллические солнечные панели

Из всех типов солнечных панелей монокристаллические панели, вероятно, будут самым дорогим вариантом, в основном из-за производственного процесса. При производстве монокристаллических солнечных панелей солнечные элементы изготавливаются из одного кристалла кремния, производители должны нести затраты на создание этих кристаллов. Этот процесс, известный как процесс Чохральского, является энергоемким и приводит к потере кремния.Однако отработанный кремний позже можно использовать для производства поликристаллических солнечных элементов.

3.2 Поликристаллические солнечные панели

Поликристаллические солнечные панели обычно дешевле монокристаллических. Это связано с тем, что ячейки производятся из фрагментов кремния, а не из одного чистого кристалла кремния. Это позволяет значительно упростить процесс производства элементов, что снижает затраты для производителей и, в конечном итоге, для конечных пользователей.

3.3 Тонкопленочные солнечные панели

Сумма, которую вы платите за тонкопленочные солнечные панели, в основном зависит от типа полупроводникового материала, используемого для производства тонкопленочных панелей; Теллурид кадмия, как правило, является самым дешевым в производстве типом тонкопленочных солнечных панелей, в то время как солнечные панели из селенида меди, индия, галлия намного дороже в производстве, чем теллурид кадмия или аморфный кремний.

Независимо от стоимости самой панели, общая стоимость установки тонкопленочной солнечной панели может быть ниже, чем установка монокристаллической или поликристаллической системы солнечных панелей из-за дополнительных трудозатрат. Тонкопленочные солнечные панели менее трудоемки, потому что они легче и маневреннее, что облегчает монтажникам перенос панелей на крыши и их надежную установку. Это означает снижение затрат на рабочую силу, что может способствовать снижению стоимости солнечной установки в целом.

Подробнее о Linquip

Какой тип солнечной панели лучше всего соответствует моим потребностям?

Выбор оптимального типа солнечных панелей зависит от назначения панелей и места их установки. Для жилых домов с большой площадью крыши лучшим выбором могут быть поликристаллические панели. Эти панели являются наиболее доступными для больших помещений и обеспечат достаточную эффективность и мощность. Для жилых домов с небольшими площадями лучшим выбором может быть монокристаллический.

Монокристаллические и поликристаллические панели хорошо подходят для домов и других подобных зданий. Тонкопленочные солнечные панели редко используются в домах, потому что они менее эффективны. Вместо этого тонкопленочные солнечные панели идеально подходят для коммерческих зданий, которые не могут выдержать дополнительный вес традиционных панелей. Хотя тонкопленочные покрытия менее эффективны, коммерческие крыши имеют больше места, чтобы покрыть большую часть крыши панелями.

Заключение

В этой статье мы постарались предоставить вам всю необходимую информацию о различных типах солнечных панелей и ответить на вопрос «какой тип солнечной панели лучше?».мы привели основное определение того, что такое солнечная панель, а затем перешли к различным типам и их привилегиям. В третьем разделе мы углубились в другие факторы, такие как эффективность и стоимость, чтобы вам было понятнее, какая из этих панелей лучше всего подходит для вашего проекта.

Если у вас есть опыт использования какого-либо типа солнечных панелей и вы знаете о нем больше, мы будем очень рады вашим отзывам в комментариях на нашем сайте Linquip. Кроме того, если вы не уверены, какой из типов солнечных панелей лучше всего подойдет для вашего проекта, или вам нужны рекомендации по пониманию технологии солнечных панелей, наши эксперты могут помочь вам определить правильные панели для вашего уникального проекта.Просто зарегистрируйтесь на нашем Linquip!

Технические характеристики фотоэлектрического модуля

| AE 868: Коммерческие солнечные электрические системы

Мы помним из предыдущих занятий, что для того, чтобы мы могли понять фотоэлектрическую технологию, нам необходимо понять ее основные свойства на клеточном уровне, такие как фотоэлектрический эффект, PN-переход для простого преобразования света в электричество. , и как производительность фотоэлектрических систем измеряется с точки зрения кривой тока и напряжения (IV), коэффициента заполнения (FF) и эффективности.

В этом разделе мы вернемся к некоторым из этих характеристик производительности, таким как I-V, P-V, FF и эффективность, на уровне модуля.

Прежде чем мы начнем, давайте определим некоторые общеупотребительные термины в области солнечной энергетики на системном уровне.

Модули и панели

В этом уроке мы сосредоточимся на центральном элементе любой фотоэлектрической системы, которым является модуль PV . Солнечные модули или солнечные панели — два широко используемых термина в солнечной промышленности. Многие люди используют эти термины взаимозаменяемо, но есть небольшая разница, которую следует обсудить. Модуль — это последовательное и/или параллельное соединение солнечных элементов в цепи на панели.Термин «солнечная панель » больше относится к прямоугольной жесткой упаковочной раме. Большинство стандартных кристаллических модулей можно назвать солнечными панелями. В общем, все солнечные панели являются солнечными модулями, но не всегда верно обратное. Например, тонкопленочный кремниевый солнечный элемент, упакованный в виде гибкого ламината, является солнечным модулем, но , а не панелью.

Массив

Другим важным термином, который следует учитывать, является массив PV . Когда модули устанавливаются как система, такой макет называется массивом.Массивы также могут быть соединены параллельно или последовательно подобно модулям и ячейкам.

Обзор:

Чтобы узнать больше о характеристиках серий и параллельных ячеек, вы можете обратиться к EME 812 (4.4 PV-системы в масштабе). Кроме того, в главе 14 книги Джеффри Браунсона «Системы преобразования солнечной энергии » эти термины рассматриваются более подробно. (Примечание: ссылка на чтение доступна в разделе «Рекомендуемая литература» на первой странице урока.)

Основные параметры модуля A

Поскольку солнечный модуль представляет собой не что иное, как взаимосвязь солнечных элементов, определяются аналогичные параметры, такие как эффективность модуля, коэффициент заполнения модуля, максимальная точка мощности (MPP), напряжение и ток (Vmpp) и (Impp), напряжение холостого хода (Voc) и ток короткого замыкания (Isc).

Напряжение и ток модуля

Как мы видим, общее напряжение фотоэлектрического модуля есть не что иное, как масштабированная версия напряжения ячейки (умноженная на количество последовательно соединенных ячеек), а общий ток — это масштабированная версия тока ячейки (умноженная на несколько цепочек ячеек, соединенных параллельно).

ВАХ модуля

Ранее мы узнали о ВАХ (J-V в некоторых справочниках, «J» — плотность тока, ток на единицу площади) кривой на уровне солнечного элемента.Однако в фотоэлектрических системах нас больше интересует общий ток и напряжение, которые может генерировать фотоэлектрический модуль, поэтому мы определяем кривую I-V модуля или кривую ток-напряжение, как показано на рисунке 2.1. Кривая показывает напряжение и ток при различных условиях эксплуатации. Например, самый высокий ток соответствует состоянию короткого замыкания (когда положительные и отрицательные клеммы фотоэлектрического модуля соединены без нагрузки, вызывая протекание очень большого тока), в то время как самое высокое напряжение возникает при разомкнутой цепи (когда фотоэлектрический модуль положительные и отрицательные клеммы не подключены к какой-либо нагрузке, поэтому ток не проходит). Если мы наблюдаем ток и напряжение, начиная с состояния разомкнутой цепи (где напряжение максимально, а ток равен нулю), и по мере увеличения нагрузки цепи ток начинает увеличиваться, а напряжение падает, пока не достигнет значения ноль в условиях короткого замыкания (где ток максимален). Колено кривой указывает рабочее состояние, при котором ток и напряжение приводят к точке максимальной мощности (MPP). Значения напряжения и тока на MPP обозначаются как «Vmpp» и «Impp» соответственно.

Рисунок 2.1: ВАХ фотоэлектрического модуля

Кредит: Мохамед Амер Чаабан

Модуль P-V характеристики

Другой способ визуализировать ВАХ — преобразовать ее в отношение между мощностью и напряжением . В этом случае мы можем назвать это (P-V) кривой фотоэлектрического модуля, как показано на рисунке 2.2. Подобно кривой ВАХ, самое высокое напряжение возникает при разомкнутой цепи, а ток равен нулю, а напряжение короткого замыкания равно нулю в начале кривой, но ток максимален. Поскольку мощность есть не что иное, как произведение напряжения на ток (P=VxI), мощность как при коротком замыкании, так и при разомкнутой цепи равна нулю, поскольку либо напряжение, либо ток равны нулю в каждой из этих точек. Если мы наблюдаем мощность и напряжение, начиная с состояния разомкнутой цепи (где напряжение максимально, а мощность равна нулю), и по мере увеличения нагрузки цепи мощность начинает увеличиваться, а напряжение падает, пока не достигнет значения на МПП (где мощность максимальна).Если мы еще больше увеличим нагрузку, напряжение продолжит падать. Однако мощность также будет уменьшаться, пока не достигнет нулевого значения в условиях короткого замыкания (где и напряжение, и мощность равны нулю). Видно, что гораздо проще найти пиковую мощность на кривой PV по сравнению с кривой ВАХ, поскольку она напоминает горб. Мощность на MPP обозначается как «Pmpp».

Рисунок 2.2: Кривая P-V фотоэлектрического модуля

Кредит: Мохамед Амер Чаабан

Отражение

На рисунках 2. 1 и 2.2, к чему относится выделенная красная линия на кривых I-V и P-V?

Нажмите, чтобы ответить…

ОТВЕТ: Выделенная красная линия показывает диапазон, в котором напряжение может изменяться вокруг точки максимальной мощности (MPP).

Другие параметры фотоэлектрических модулей

А как насчет других параметров, таких как КПД и коэффициент заполнения солнечного модуля? Они увеличиваются, уменьшаются или остаются неизменными по сравнению со значениями ячейки? В идеале все ячейки имеют одинаковые характеристики без несоответствующих потерь; в этом случае мы ожидаем, что эффективность и коэффициент заполнения как на уровне модуля, так и на уровне ячейки будут одинаковыми.Но на практике это неверно из-за различных факторов, которые играют роль при соединении ячеек между собой, таких как последовательное сопротивление, вызванное пайкой контактов между ячейками. Кроме того, возможно небольшое несоответствие производителя в характеристиках соединенных между собой ячеек. В этом случае ячейка с наименьшим током в цепочке последовательно определяет ток модуля. Точно так же ячейка с наименьшим параллельным напряжением определяет напряжение модуля. Это несоответствие в ячейках может быть результатом неоднородности ячеек из-за массового производства.

Другая основная причина несоответствия возникает, когда модуль:

  1. частично затемненный или
  2. имеет неравномерное излучение, или
  3. имеет неравномерный нагрев на уровне ячейки.

Таким образом, каждый модуль на практике работает немного иначе, чем ожидаемая производительность идеально подобранных солнечных элементов.

Как это повлияет на параметры Модуля?

Большинство производителей модулей указывают в своих спецификациях разницу между эффективностью модуля и уровня ячейки.Например, в техническом описании модуля Sanyo HIT-N240SE10 указано, что эффективность ячейки составляет 21,6%, а эффективность на уровне модуля составляет около 19%.

солнечной энергии | Национальное географическое общество

Солнечная энергия — это любой вид энергии, вырабатываемой солнцем.

Солнечная энергия создается в результате ядерного синтеза, происходящего на Солнце. Синтез происходит, когда протоны атомов водорода яростно сталкиваются в ядре Солнца и сливаются, образуя атом гелия.

Этот процесс, известный как цепная реакция PP (протон-протон), испускает огромное количество энергии.В своем ядре Солнце каждую секунду сжигает около 620 миллионов метрических тонн водорода. Цепная реакция PP происходит в других звездах размером с наше Солнце и обеспечивает их непрерывной энергией и теплом. Температура этих звезд составляет около 4 миллионов градусов по шкале Кельвина (около 4 миллионов градусов по Цельсию, 7 миллионов градусов по Фаренгейту).
 
В звездах, которые примерно в 1,3 раза больше Солнца, цикл CNO управляет созданием энергии. Цикл CNO также преобразует водород в гелий, но для этого используются углерод, азот и кислород (C, N и O).В настоящее время менее 2% солнечной энергии создается циклом CNO.

Ядерный синтез с помощью цепной реакции PP или цикла CNO высвобождает огромное количество энергии в форме волн и частиц. Солнечная энергия постоянно течет от Солнца и по всей Солнечной системе. Солнечная энергия согревает Землю, вызывает ветер и погоду, поддерживает жизнь растений и животных.

Энергия, тепло и свет солнца уходят в виде электромагнитного излучения (ЭМИ).

Электромагнитный спектр существует в виде волн различных частот и длин волн. Частота волны показывает, сколько раз волна повторяется за определенную единицу времени. Волны с очень короткими длинами волн повторяются несколько раз в данную единицу времени, поэтому они являются высокочастотными. Напротив, низкочастотные волны имеют гораздо большую длину волны.

Подавляющее большинство электромагнитных волн невидимы для нас. Наиболее высокочастотными волнами, излучаемыми солнцем, являются гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение (УФ-лучи).Наиболее вредные ультрафиолетовые лучи почти полностью поглощаются атмосферой Земли. Менее мощные УФ-лучи проходят через атмосферу и могут вызывать солнечные ожоги.

Солнце также излучает инфракрасное излучение, волны которого имеют гораздо более низкую частоту. Большая часть солнечного тепла поступает в виде инфракрасной энергии.

Между инфракрасным и ультрафиолетовым диапазоном находится видимый спектр, который содержит все цвета, которые мы видим на Земле. Красный цвет имеет самые длинные волны (наиболее близкие к инфракрасному), а фиолетовый (наиболее близкие к ультрафиолетовому) — самые короткие.

Природная солнечная энергия

Парниковый эффект
Инфракрасные, видимые и УФ-волны, достигающие Земли, участвуют в процессе нагревания планеты и делают возможной жизнь — так называемый «парниковый эффект».

Около 30% солнечной энергии, достигающей Земли, отражается обратно в космос. Остальное поглощается земной атмосферой. Излучение нагревает поверхность Земли, и поверхность излучает часть энергии обратно в виде инфракрасных волн.Когда они поднимаются в атмосферу, их перехватывают парниковые газы, такие как водяной пар и углекислый газ.

Парниковые газы задерживают тепло, которое отражается обратно в атмосферу. Таким образом, они действуют как стеклянные стены теплицы. Этот парниковый эффект поддерживает температуру Земли достаточной для поддержания жизни.

Фотосинтез
Почти вся жизнь на Земле прямо или косвенно зависит от солнечной энергии для питания.

Производители напрямую зависят от солнечной энергии.Они поглощают солнечный свет и превращают его в питательные вещества посредством процесса, называемого фотосинтезом. Производители, также называемые автотрофами, включают растения, водоросли, бактерии и грибы. Автотрофы составляют основу пищевой сети.

Потребители полагаются на производителей питательных веществ. Травоядные, плотоядные, всеядные и детритоядные животные косвенно зависят от солнечной энергии. Травоядные питаются растениями и другими производителями. Плотоядные и всеядные едят как производителей, так и травоядных. Детритофаги разлагают растительные и животные вещества, потребляя их.

Ископаемое топливо
Фотосинтез также является источником всех ископаемых видов топлива на Земле. По оценкам ученых, около 3 миллиардов лет назад в водной среде появились первые автотрофы. Солнечный свет позволял растительной жизни процветать и развиваться. После того, как автотрофы погибли, они разложились и сместились вглубь Земли, иногда на тысячи метров. Этот процесс продолжался миллионы лет.

Под сильным давлением и высокими температурами эти останки превратились в то, что мы знаем как ископаемое топливо.Микроорганизмы превратились в нефть, природный газ и уголь.

Люди разработали процессы извлечения этих ископаемых видов топлива и использования их для получения энергии. Однако ископаемое топливо является невозобновляемым ресурсом. На их формирование уходят миллионы лет.

Использование солнечной энергии

Солнечная энергия является возобновляемым ресурсом, и многие технологии могут собирать ее непосредственно для использования в домах, на предприятиях, в школах и больницах. Некоторые технологии солнечной энергетики включают фотоэлектрические элементы и панели, концентрированную солнечную энергию и солнечную архитектуру.

Существуют различные способы улавливания солнечного излучения и преобразования его в полезную энергию. Методы используют либо активную солнечную энергию, либо пассивную солнечную энергию.

Активные солнечные технологии используют электрические или механические устройства для активного преобразования солнечной энергии в другую форму энергии, чаще всего в тепло или электричество. Пассивные солнечные технологии не используют никаких внешних устройств. Вместо этого они используют местный климат для обогрева зданий зимой и отражения тепла летом.

Фотогальваника

Фотогальваника — это форма активной солнечной технологии, открытая в 1839 году 19-летним французским физиком Александром-Эдмондом Беккерелем. Беккерель обнаружил, что когда он помещал хлорид серебра в кислый раствор и подвергал его воздействию солнечного света, прикрепленные к нему платиновые электроды генерировали электрический ток. Этот процесс выработки электроэнергии непосредственно из солнечного излучения называется фотогальваническим эффектом или фотогальваникой.

Сегодня фотогальваника, вероятно, является наиболее известным способом использования солнечной энергии.Фотоэлектрические массивы обычно включают в себя солнечные панели, набор из десятков или даже сотен солнечных элементов.

Каждый солнечный элемент содержит полупроводник, обычно изготовленный из кремния. Когда полупроводник поглощает солнечный свет, он выбивает электроны. Электрическое поле направляет эти свободные электроны в электрический ток, текущий в одном направлении. Металлические контакты в верхней и нижней части солнечного элемента направляют этот ток на внешний объект. Внешний объект может быть как маленьким, как калькулятор на солнечной энергии, так и большим, как электростанция.

Фотогальваника впервые широко использовалась на космических кораблях. Многие спутники, включая Международную космическую станцию, имеют широкие отражающие «крылья» из солнечных панелей. У МКС есть два крыла солнечных батарей (SAW), каждое из которых использует около 33 000 солнечных элементов. Эти фотоэлектрические элементы обеспечивают МКС всей электроэнергией, позволяя астронавтам управлять станцией, безопасно жить в космосе в течение нескольких месяцев и проводить научные и инженерные эксперименты.

Фотоэлектрические электростанции построены по всему миру.Крупнейшие станции находятся в США, Индии и Китае. Эти электростанции вырабатывают сотни мегаватт электроэнергии, которая используется для снабжения домов, предприятий, школ и больниц.

Фотогальваническая технология также может быть установлена ​​в меньшем масштабе. Солнечные панели и элементы могут быть закреплены на крышах или наружных стенах зданий, обеспечивая электричеством структуру. Их можно размещать вдоль дорог на легкие магистрали. Солнечные батареи достаточно малы, чтобы питать даже более мелкие устройства, такие как калькуляторы, паркоматы, прессовщики мусора и водяные насосы.

Концентрированная солнечная энергия

Другим типом активной солнечной технологии является концентрированная солнечная энергия или концентрированная солнечная энергия (CSP). Технология CSP использует линзы и зеркала для фокусировки (концентрации) солнечного света с большой площади на гораздо меньшую. Эта интенсивная область излучения нагревает жидкость, которая, в свою очередь, вырабатывает электричество или подпитывает другой процесс.

Солнечные печи являются примером концентрированной солнечной энергии. Существует множество различных типов солнечных печей, в том числе башни солнечной энергии, параболические желоба и отражатели Френеля.Они используют один и тот же общий метод для захвата и преобразования энергии.

Солнечные энергетические башни используют гелиостаты, плоские зеркала, которые поворачиваются, чтобы следовать по дуге солнца в небе. Зеркала расположены вокруг центральной «коллекторной башни» и отражают солнечный свет в виде концентрированного луча света, который падает на фокус башни.

В предыдущих конструкциях башен солнечной энергии концентрированный солнечный свет нагревал емкость с водой, которая производила пар, приводивший в действие турбину. В последнее время в некоторых солнечных электростанциях используется жидкий натрий, который имеет более высокую теплоемкость и сохраняет тепло в течение более длительного периода времени.Это означает, что жидкость не только достигает температуры от 773 до 1273 К (от 500 до 1000 ° C или от 932 до 1832 ° F), но и может продолжать кипятить воду и генерировать энергию, даже когда солнце не светит.

Параболические желоба и отражатели Френеля также используют CSP, но их зеркала имеют другую форму. Параболические зеркала изогнуты, по форме напоминают седло. В отражателях Френеля используются плоские тонкие полоски зеркала, которые улавливают солнечный свет и направляют его на трубку с жидкостью. Рефлекторы Френеля имеют большую площадь поверхности, чем параболические желоба, и могут концентрировать солнечную энергию примерно в 30 раз по сравнению с ее нормальной интенсивностью.

Концентрированные солнечные электростанции были впервые разработаны в 1980-х годах. Крупнейший объект в мире — это серия заводов в пустыне Мохаве в Калифорнии. Эта система генерации солнечной энергии (SEGS) ежегодно вырабатывает более 650 гигаватт-часов электроэнергии. Другие крупные и эффективные заводы были разработаны в Испании и Индии.

Концентрированная солнечная энергия также может использоваться в меньших масштабах. Например, он может генерировать тепло для солнечных плит. Жители деревень по всему миру используют солнечные плиты для кипячения воды для санитарии и приготовления пищи.

Солнечные плиты обладают многими преимуществами по сравнению с дровяными печами: они не пожароопасны, не выделяют дыма, не требуют топлива и сокращают потерю среды обитания в лесах, где деревья используются в качестве топлива. Солнечные плиты также позволяют сельским жителям тратить время на образование, бизнес, здоровье или семью в то время, которое раньше использовалось для сбора дров. Солнечные плиты используются в таких разных регионах, как Чад, Израиль, Индия и Перу.

Солнечная архитектура

В течение дня солнечная энергия является частью процесса тепловой конвекции или перемещения тепла из более теплого пространства в более прохладное. Когда солнце восходит, оно начинает нагревать предметы и материю на Земле. В течение дня эти материалы поглощают тепло солнечного излучения. Ночью, когда солнце садится и атмосфера охлаждается, материалы отдают свое тепло обратно в атмосферу.

Методы пассивной солнечной энергии используют этот естественный процесс нагрева и охлаждения.

Дома и другие здания используют пассивную солнечную энергию для эффективного и недорогого распределения тепла. Примером этого является расчет «тепловой массы» здания.Тепловая масса здания – это масса материала, нагретого в течение дня. Примерами тепловой массы здания являются дерево, металл, бетон, глина, камень или глина. Ночью тепловая масса отдает свое тепло обратно в помещение. Эффективные системы вентиляции — коридоры, окна и воздуховоды — распределяют нагретый воздух и поддерживают умеренную постоянную температуру в помещении.

Пассивные солнечные технологии часто используются при проектировании зданий. Например, на этапе планирования строительства инженер или архитектор может выровнять здание по дневному пути солнца, чтобы получить желаемое количество солнечного света. Этот метод учитывает широту, высоту и типичную облачность конкретной области. Кроме того, здания могут быть построены или модернизированы, чтобы иметь теплоизоляцию, тепловую массу или дополнительное затенение.

Другими примерами пассивной солнечной архитектуры являются прохладные крыши, излучающие барьеры и зеленые крыши. Прохладные крыши окрашены в белый цвет и отражают солнечное излучение, а не поглощают его. Белая поверхность уменьшает количество тепла, достигающего внутренней части здания, что, в свою очередь, снижает количество энергии, необходимой для охлаждения здания.

Радиационные барьеры работают аналогично прохладным крышам. Они обеспечивают изоляцию материалами с высокой отражающей способностью, такими как алюминиевая фольга. Фольга отражает, а не поглощает тепло и может снизить затраты на охлаждение до 10%. В дополнение к крышам и чердакам, излучающие барьеры также могут быть установлены под полами.

Зеленые крыши — это крыши, полностью покрытые растительностью. Им требуется почва и орошение для поддержки растений, а также водостойкий слой под ними. Зеленые крыши не только уменьшают количество поглощаемого или теряемого тепла, но и обеспечивают растительность.Благодаря фотосинтезу растения на зеленых крышах поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Они отфильтровывают загрязняющие вещества из дождевой воды и воздуха и компенсируют некоторые последствия использования энергии в этом пространстве.

Зеленые крыши веками были традицией в Скандинавии, а недавно стали популярными в Австралии, Западной Европе, Канаде и США. Например, Ford Motor Company покрыла растительностью 42 000 квадратных метров (450 000 квадратных футов) крыш своего сборочного завода в Дирборне, штат Мичиган.Помимо сокращения выбросов парниковых газов, крыши уменьшают ливневые стоки, поглощая несколько сантиметров осадков.

Зеленые крыши и прохладные крыши также могут противодействовать эффекту «городского острова тепла». В оживленных городах температура может быть постоянно выше, чем в прилегающих районах. Этому способствуют многие факторы: города построены из таких материалов, как асфальт и бетон, которые поглощают тепло; высокие здания блокируют ветер и его охлаждающие эффекты; и большое количество отработанного тепла генерируется промышленностью, дорожным движением и большим населением.Использование доступного пространства на крыше для посадки деревьев или отражение тепла белыми крышами может частично смягчить локальное повышение температуры в городских районах.

Солнечная энергия и люди

Поскольку в большинстве частей мира солнечный свет светит только около половины дня, технологии солнечной энергии должны включать методы хранения энергии в темное время суток.

Системы с термальной массой используют твердый парафин или различные формы соли для хранения энергии в виде тепла.Фотогальванические системы могут отправлять избыточную электроэнергию в местную энергосистему или хранить энергию в перезаряжаемых батареях.

Использование солнечной энергии имеет много плюсов и минусов.

Преимущества
Основным преимуществом использования солнечной энергии является то, что это возобновляемый ресурс. У нас будет постоянный, безграничный запас солнечного света еще 5 миллиардов лет. За один час атмосфера Земли получает достаточно солнечного света, чтобы удовлетворить потребности в электричестве каждого человека на Земле в течение года.

Солнечная энергия чистая. После того, как оборудование солнечной технологии построено и установлено, солнечной энергии не нужно топливо для работы. Он также не выделяет парниковых газов или токсичных материалов. Использование солнечной энергии может значительно уменьшить воздействие, которое мы оказываем на окружающую среду.

Есть места, где можно использовать солнечную энергию. Дома и здания в районах с большим количеством солнечного света и низкой облачностью имеют возможность использовать обильную солнечную энергию.

Солнечные плиты представляют собой прекрасную альтернативу приготовлению пищи в дровяных печах, от которых до сих пор зависят 2 миллиарда человек. Солнечные плиты обеспечивают более чистый и безопасный способ дезинфекции воды и приготовления пищи.

Солнечная энергия дополняет другие возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра или гидроэлектроэнергия.

Дома или предприятия, которые устанавливают успешные солнечные панели, могут фактически производить избыточную электроэнергию. Эти домовладельцы или владельцы бизнеса могут продавать энергию обратно поставщику электроэнергии, сокращая или даже устраняя счета за электроэнергию.

Недостатки
Основным препятствием для использования солнечной энергии является необходимое оборудование.Солнечное технологическое оборудование стоит дорого. Покупка и установка оборудования может стоить десятки тысяч долларов для отдельных домов. Хотя правительство часто предлагает сниженные налоги для людей и предприятий, использующих солнечную энергию, а технология позволяет сократить счета за электроэнергию, первоначальная стоимость слишком велика для многих, чтобы ее учитывать.

Солнечное энергетическое оборудование также тяжелое. Чтобы модернизировать или установить солнечные панели на крыше здания, крыша должна быть прочной, большой и ориентированной на путь солнца.

Как активные, так и пассивные солнечные технологии зависят от факторов, которые мы не можем контролировать, таких как климат и облачный покров. Необходимо изучить местные районы, чтобы определить, будет ли солнечная энергия эффективной в этом районе.

Солнечный свет должен быть обильным и постоянным, чтобы солнечная энергия была эффективным выбором. В большинстве мест на Земле непостоянство солнечного света затрудняет его использование в качестве единственного источника энергии.

Фотогальваническая или солнечная батарея использует фотогальванические солнечные панели

Солнечная фотогальваническая батарея

Если фотогальванические панели состоят из отдельных фотогальванических элементов, соединенных вместе, то Солнечная фотогальваническая батарея , также известная как Солнечная батарея Массив представляет собой систему, состоящую из группы солнечных панелей, соединенных вместе.

Фотогальваническая батарея , таким образом, представляет собой несколько солнечных панелей, электрически соединенных вместе, чтобы сформировать гораздо более крупную фотоэлектрическую установку (фотоэлектрическую систему), называемую массивом, и, как правило, чем больше общая площадь поверхности массива, тем больше солнечной электроэнергии он будет производить. .

Полная фотоэлектрическая система использует фотоэлектрическую решетку в качестве основного источника для выработки электроэнергии. Количество солнечной энергии, производимой одной фотоэлектрической панелью или модулем, недостаточно для общего использования.

Большинство производителей выпускают стандартные фотогальванические панели с выходным напряжением 12 В или 24 В. При соединении нескольких одиночных фотоэлектрических панелей последовательно (для более высокого напряжения) и параллельно (для более высокого тока) массив фотоэлектрических модулей будет производить желаемую выходную мощность.

A Фотогальваническая солнечная батарея

Фотогальванические элементы и панели преобразуют солнечную энергию в электричество постоянного тока. Соединение солнечных панелей в одну фотогальваническую батарею такое же, как и фотоэлементов в одну панель.

Панели в массиве могут быть электрически соединены друг с другом либо последовательно, либо параллельно, либо комбинированно, но обычно последовательное соединение выбирается для получения повышенного выходного напряжения. Например, когда две солнечные панели соединены последовательно, их напряжение удваивается, а ток остается прежним.

Размер фотогальванической батареи может состоять из нескольких отдельных фотоэлектрических модулей или панелей, соединенных вместе в городской среде и установленных на крыше, или может состоять из многих сотен фотоэлектрических панелей, соединенных между собой на месте для обеспечения электроэнергией всего дома город или район.Гибкость модульной фотоэлектрической батареи (PV-системы) позволяет разработчикам создавать системы солнечной энергии, которые могут удовлетворить широкий спектр потребностей в электроэнергии, независимо от того, насколько они велики или малы.

Важно отметить, что фотоэлектрические панели или модули разных производителей не должны смешиваться в одном массиве, даже если их выходная мощность, напряжение или ток номинально одинаковы. Это связано с тем, что различия в ВАХ солнечных элементов, а также их спектральные характеристики, вероятно, вызовут дополнительные потери из-за рассогласования в массиве, тем самым снизив его общий КПД.

Электрические характеристики фотогальванической батареи

Электрические характеристики фотогальванической батареи представлены в виде зависимости между выходным током и напряжением. Количество и интенсивность солнечной инсоляции (солнечного излучения) регулируют величину выходного тока (I), а рабочая температура солнечных элементов влияет на выходное напряжение (V) фотоэлектрической батареи. Кривые фотоэлектрической панели (IV), которые обобщают взаимосвязь между током и напряжением, предоставляются производителями и имеют следующий вид: массив обеспечивает, когда клеммы не подключены к какой-либо нагрузке (состояние разомкнутой цепи). Это значение намного выше, чем Vmax, связанное с работой массива фотоэлектрических модулей, который фиксируется нагрузкой. Это значение зависит от количества фотоэлектрических панелей, соединенных последовательно.

  • I SC = ток короткого замыкания – максимальный ток, обеспечиваемый массивом фотоэлектрических модулей при коротком замыкании выходных разъемов (состояние короткого замыкания). Это значение намного выше, чем Imax, относящееся к нормальному рабочему току цепи.
  • P max = точка максимальной мощности – относится к точке, в которой мощность, подаваемая массивом, подключенным к нагрузке (аккумуляторам, инверторам), имеет максимальное значение, где Pmax = Imax x Vmax.Максимальная точка мощности фотогальванического массива измеряется в ваттах (Вт) или пиковых ваттах (Вт).
  • FF = коэффициент заполнения. Коэффициент заполнения представляет собой соотношение между максимальной мощностью, которую массив фактически может обеспечить при нормальных условиях эксплуатации, и произведением напряжения холостого хода на ток короткого замыкания (Voc x Isc). значение factor дает представление о качестве массива, и чем ближе коэффициент заполнения к 1 (единице), тем большую мощность может обеспечить массив. Типичные значения находятся между 0.7 и 0,8.
  • % eff = эффективность в процентах — Эффективность фотогальванического массива – это отношение максимальной электрической мощности, которую может производить массив, к количеству солнечного излучения, попадающего на массив. Эффективность типичной солнечной батареи обычно низка и составляет около 10-12%, в зависимости от типа используемых элементов (монокристаллические, поликристаллические, аморфные или тонкопленочные).
  • Кривые вольт-амперных характеристик фотоэлектрических систем предоставляют информацию, необходимую разработчикам для настройки систем, которые могут работать как можно ближе к точке максимальной пиковой мощности.Точка пиковой мощности измеряется, когда фотоэлектрический модуль производит максимальное количество энергии при воздействии солнечного излучения, эквивалентного 1000 Вт на квадратный метр, 1000 Вт/м 2 или 1 кВт/м 2 . Рассмотрим схему ниже.

    Соединения фотогальванической решетки

    Эта простая фотогальваническая решетка состоит из четырех фотогальванических модулей, как показано, образующих две параллельные ветви, в которых есть две фотогальванические панели, которые электрически соединены друг с другом, образуя последовательную цепь.Таким образом, выходное напряжение массива будет равно последовательному соединению фотоэлектрических панелей, и в нашем примере выше оно рассчитывается как: Vвых = 12 В + 12 В = 24 Вольта.

    Выходной ток будет равен сумме токов параллельных ответвлений. Если предположить, что каждая фотоэлектрическая панель выдает 3,75 ампера при полном солнце, то общий ток ( I T ) будет равен: I T = 3,75 А + 3,75 А = 7,5 Ампер. Тогда максимальная мощность фотогальванического массива при полном солнечном свете может быть рассчитана как: Pout = V x I = 24 x 7.5 = 180 Вт.

    Массив фотоэлектрических элементов достигает своего максимума в 180 Вт при полном солнечном свете, поскольку максимальная выходная мощность каждой фотоэлектрической панели или модуля равна 45 Вт (12 В x 3,75 А). Однако из-за различных уровней солнечной радиации, влияния температуры, электрических потерь и т. д. реальная максимальная выходная мощность обычно намного меньше расчетных 180 Вт. Затем мы можем представить характеристики нашей фотогальванической батареи как существующие.

    Характеристики фотоэлектрических батарей

    Обходные диоды в фотоэлектрических батареях

    Фотоэлектрические элементы и диоды представляют собой полупроводниковые устройства, изготовленные из кремниевого материала P-типа и кремниевого материала N-типа, сплавленных вместе.В отличие от фотогальванического элемента, который генерирует напряжение при воздействии света, диоды с PN-переходом действуют как твердотельный односторонний электрический клапан, который позволяет электрическому току течь через себя только в одном направлении.

    Преимущество этого заключается в том, что диоды можно использовать для блокировки потока электрического тока от других частей электрической цепи солнечной батареи. При использовании в фотоэлектрических солнечных батареях эти типы кремниевых диодов обычно называются блокирующими диодами .

    В предыдущем уроке о фотогальванических панелях мы видели, что «шунтирующие диоды» используются параллельно либо с одним, либо с несколькими фотогальваническими солнечными элементами, чтобы предотвратить протекание тока (ов) от хороших, хорошо подверженных солнечному свету фотоэлементов. перегрев и выгорание слабых или частично затененных фотоэлектрических элементов за счет обеспечения пути тока вокруг неисправного элемента.Блокирующие диоды используются иначе, чем обходные диоды.

    Байпасные диоды обычно подключаются «параллельно» с фотоэлементом или панелью, чтобы шунтировать ток вокруг них, тогда как блокирующие диоды подключаются «последовательно» с фотоэлектрическими панелями, чтобы предотвратить обратное протекание тока в них. Таким образом, блокирующие диоды отличаются от обходных диодов, хотя в большинстве случаев диод физически один и тот же, но они устанавливаются по-разному и служат для разных целей. Рассмотрим нашу фотоэлектрическую солнечную батарею ниже.

    Диоды в фотоэлектрических батареях

    Как мы уже говорили ранее, диоды — это устройства, которые пропускают ток только в одном направлении. Диоды, окрашенные в зеленый цвет, — это знакомые обходные диоды, по одному параллельно каждой фотоэлектрической панели, чтобы обеспечить путь с низким сопротивлением вокруг панели. Однако два диода красного цвета называются «блокировочными диодами», по одному последовательно с каждой последовательной ветвью. Эти блокировочные диоды гарантируют, что электрический ток будет течь только ВЫХОДИМ от последовательного массива к внешней нагрузке, контроллеру или батареям.

    Это необходимо для предотвращения обратного тока, генерируемого другими параллельно подключенными фотоэлектрическими панелями в той же группе, через более слабую (заштрихованную) сеть, а также для предотвращения разряда полностью заряженных батарей или обратного оттока через фотоэлектрическую батарею при ночь. Таким образом, когда несколько фотоэлектрических панелей подключены параллельно, блокировочные диоды следует использовать в каждой параллельно соединенной ветви.

    Вообще говоря, блокирующие диоды используются в фотоэлектрических батареях, когда имеется две или более параллельных ветвей или существует вероятность того, что часть решетки будет частично затенена в течение дня, когда солнце движется по небу.Размер и тип используемого блокирующего диода зависит от типа фотогальванической батареи. Для солнечных батарей доступны два типа диодов: кремниевый диод с PN-переходом и диод с барьером Шоттки. Оба доступны с широким диапазоном номинальных токов.

    Диод с барьером Шоттки имеет гораздо меньшее прямое падение напряжения, составляющее около 0,4 В, в отличие от PN-диодов, составляющее 0,7 В для кремниевых устройств. Это более низкое падение напряжения позволяет сэкономить одну полную фотоэлектрическую ячейку в каждой последовательной ветви солнечной батареи, поэтому матрица более эффективна, поскольку на блокировочном диоде рассеивается меньшая мощность. Большинство производителей включают в свои фотоэлектрические модули блокирующие диоды, что упрощает конструкцию.

    Создайте свой собственный фотоэлектрический массив

    Количество получаемого солнечного излучения и ежедневный спрос на энергию являются двумя определяющими факторами при проектировании фотоэлектрического массива и систем солнечной энергии. Размер фотоэлектрической батареи должен соответствовать требованиям нагрузки и учитывать любые потери в системе, в то время как затенение любой части солнечной батареи значительно снижает выходную мощность всей системы.

    Если солнечные панели электрически соединены последовательно, ток будет одинаковым в каждой панели, а если панели частично затенены, они не могут производить одинаковое количество тока. Кроме того, затененные фотоэлектрические панели будут рассеивать мощность и отходы в виде тепла, а не генерировать его, а использование обходных диодов поможет предотвратить такие проблемы, обеспечивая альтернативный путь тока.

    Блокировочные диоды не требуются в полностью последовательно соединенных системах, но их следует использовать для предотвращения обратного тока от батарей обратно в массив в ночное время или при слабом солнечном излучении.При проектировании необходимо учитывать другие климатические условия, кроме солнечного света.

    Поскольку выходное напряжение кремниевого солнечного элемента является параметром, зависящим от температуры, разработчик должен знать преобладающие дневные температуры, как экстремальные (высокие и низкие), так и сезонные колебания. Кроме того, при проектировании монтажной конструкции необходимо учитывать дождь и снегопад. Ветровая нагрузка особенно важна при установке на вершине горы.

    В нашем следующем руководстве по теме «Солнечная энергия» мы рассмотрим, как мы можем использовать полупроводниковые фотоэлектрические батареи и солнечные панели как часть автономной фотоэлектрической системы для выработки электроэнергии для автономных приложений.

    .

    Want to say something? Post a comment

    Ваш адрес email не будет опубликован.