Основа работы солнечных батарей и их главные особенности

Солнечные батареи: основы работы и схема подключения

Поделиться с друзьями:

Пример реализации системыОсновная изюминка умного дома — предоставление уюта и безопасности приживающих при лучшем применении ресурсов.

Подобная цель решается установкой собственных источников энергоснабжения и автоматизированных систем, которые обеспечивают бесперебойное поступление энергоресурсов за счет своевременного переключения подачи с разных источников.

Солнечные батареи (гелиосистемы) — один из разновидностей автономного электроснабжения. Если вас заинтриговала данная информация, читайте дополнительно о том, как изготовить солнечные батареи дома своими руками? Ознакомьтесь еще с нашим материалом о солнечных электростанциях для вашего дома.

Оглавление

Исторический экскурс

Хоть первые приборы, вырабатывающие электрический ток под действием солнца, были сконструированы еще в XIX веке, практически история формирования солнечной батареи начинается с 1954 года. 25.04.1954 в США были получены первые фотоэлектрические составляющие на основе кремния.

Их принцип работы дозволил нарастить КПД c 1% до 6%. Новые разработки в гелиоэнергетике проводились непрерывно, и в 1970 году КПД составлял уже 10%. Но, из-за высокой цены изготовления, такие источники энергии по-прежнему применялось лишь в открытом космосе.

В конце 80-х — начале 90-х прошлого века, когда КПД фотоэлектрических элементов вырос до 20%, началось применения гелиоэнергии на Земле. В 2013 году были созданы составляющие на индиево-галлий-арсенидной основе, КПД которых составляет 44,4% (компания Sharp). В том же году группа профессионалов создала батареи с применением линз Френеля. Их КПД составлял 44,7%.

Составляющие солнечных батарей

Основа работы фотоэлектрических панелей содержится в выработке неизменного тока. Так как все аппараты действуют от переменного тока, то для полной работы гелиосистем необходимы несколько элементов:

  • фотоэлектические панели (модули),
  • аккумуляторы,
  • контроллер аккумулятора,
  • инвертор 12/24−220V.

Схема устройства

Контроллер наблюдает за зарядкой и разрядкой аккумулятора. Ивертор (преобразователь тока) — преобразует постоянный ток в переменный. Батареи нужны для хранения произведенной энергии. В батарее могут применяться два типа аккумуляторов: свинцовые или гелевые.

Принцип работы фотопреобразователей     

Модули состоят из отдельных частей — фотоэлектропреобразователей (ФЭП). ФЕП — это кремниевые полупроводники, могут быть трех видов:

  • из монокристаллического кремния,
  • из поликристаллического кремния,
  • из ленточного кремния (гибкого).

Визуализация p-n перехода

Основа работы ФЭП выстроена на разнице потенциалов, так как полупроводник имеет два слоя (на атомном уровне) — n-типа и p-типа.

Промеж ними появляется слабое электрическое поле p-n переход.

Под действием фотонов света, выбиваются электроны в зоне n-типа и возникают дырки в зоне p-типа.

Если к кремниевой пластинке подключить внешний проводник, то нему электроны из n-зоны перетекают в p-зону. При этом в проводнике возникает напряжение, то есть энергия фотонов света реорганизуется в электрическую.

Из чего состоит модуль гелиоустановки?

В продаже есть готовые панели мощностью 40−260 пиковых ватт. Пиковые ватты демонстрируют предельно вероятную мощность при ярком солнце и верной установке (угол наклона, соединение). Их размер колеблется от 0,4 до 2,5 квадратных метров.

При желании такой модуль можно собрать самостоятельно, однако следует учесть, что нужно гарантировать высокую степень герметизации. В заводских условиях это достигается помещением модуля в вакуумную печь, где и делается ламинирование.

По своей конструкции модуль — это отдельные ФЭП элементы, объединенные между собой металлическими шинами. После составления, получившуюся панель, шунтируют диодами. Это производится для избежания выхода из строя тех частей, которые могут оказаться затененными.

При неимении диодов энергия из освещенных ячеек перетекает в теневые, из-за чего последние перегреваются. Если шунтирование совершено, то в момент затемнения панель дает меньшую мощность (на 25%), а все ячейки остаются работоспособными.

Структура элемента

Далее панель ламинируют и помещают между многослойными стеклами, после чего заключают в пластмассовый или алюминиевый каркас. К нижней стороне модуля подключают клеммную коробку, где находятся контакты для включения к электрической цепи.

Как подключить?

Виды монтажа солнечных панелей могут быть разные:

  • Горизонтальный, при установке на плоскую крышу.
  • Наклонный, при установке крышу с углом ската выше 15.
  • Свободностоящий, при установке панелей на опорные конструкции.
  • Интегрированный, при установке панелей, как частей здания.

При подборе варианта следует учитывать, поверхность фотоэлементов должна быть ориентирована на юг, а оптимальный угол падения лучей на панель — 90º.

В совершенстве панели устанавливаются на поворотные конструкции. На практике угол наклона изменяется два раза в год — в зимний период выставляется 60º-70º касательно линии горизонта, а в летний — 15º-20º.

Независимо от установки, принципиальная схема включения в энергосистему дома не различается. Ниже приведена схема подключения с применением сетевого и аккумуляторного контроллера.

Это дает возможность применять энергию от гелиоустановки даже при наличии напряжения в центральной сети, что усиливает эффективность применения ресурсов.

Схема рабочеuj устройства системыДизель-генератор

Какие варианты существуют и что лучше применять?

Не считая гелиосистем, в качестве автономных источников энергии смогут применяться последующие виды:

  • дизель-генератор,
  • ветрогенератор,
  • тепловой насос.

 

Дизель-генератор обычно применяется, как автономный или резервный источник питания.

Но такие установки имеют ряд недочетов — высокий уровень шума, пожароопасность, а еще выделение в процессе работы большого объема выхлопных газов. Основное преимущество — стабильная работа, свободно от погодных условий.

Дизель-генераторы нереально назвать независимыми источниками энергии, так как основа их работы не выработка энергии, а преобразование с применением невозобновляемых ресурсов.

Достоинства ветрогенератора — экологичность и абсолютная автономность.

Недочет — зависимость от погоды. Это очень заметный минус, так как при полном штиле можно долго остаться без электричества. Тепловые насосы бывают разных конфигураций, они независимы от сезонности и внешних условий.

К относительным недочетам этого источника энергии можно отнести тот факт, что он производит только тепловую энергию. То есть его можно применять для отопления или кондиционирования дома, а еще для подогрева воды.

Беря во внимание недочеты и плюсы перечисленных выше систем, можно сделать вывод, что умный дом должен располагать комбинированной системой. К примеру, солнечные батареи имеют все шансы расширяться тепловым насосом. Подобный вариант дает возможность обеспечивать дом и тепловой, и электрической энергией.

Читайте подробно об использовании ветряных электростанций для частного дома. Мы советуем ознакомится с данными об использовании фонарей действующих на солнечных батареях для дачи.

В продолжение рекомендуем почитать нашу публикацию о цены полного набора солнечных батарей для частного дома.