Солнце – поистине неисчерпаемый источник энергии, которая давно и широко используется для получения электричества. И если еще совсем недавно солнечный электрогенератор был довольно дорогим удовольствием, то сегодня он доступен практически каждому. В этой статье мы разберемся с принципом работы солнечной батареи, а заодно выясним, как она устроена и каких видов бывает.
Из чего состоит
Солнечная панель представляет собой жесткое прямоугольное основание того или иного размера, на котором размещены отдельные ячейки – фотоэлементы. Для механической защиты и защиты от окружающей среды вся конструкция помещается в рамку и закрывается стеклом. Поскольку элементы очень хрупкие, с обеих сторон они дополнительно защищены полимерной подложкой, причем верхняя обязательно прозрачная.
Устройство солнечных панелей
На рисунке цифрами обозначены:
- 1 – жесткое основание;
- 2 – полимерная подложка;
- 3 – рама;
- 4 – защитное стекло;
- 5 – ячейки фотоэлементов.
Каждая из ячеек является маленьким генератором, преобразующим свет (необязательно солнечный) в электрическую энергию. Для получения нужных выходных напряжения и тока фотоэлектрические ячейки электрически соединяются между собой тем или иным способом.
Как подключаются элементы в батарее
Поскольку выходное напряжение отдельного элемента невелико (обычно 0.6 В), их соединяют в батареи, включая последовательно. Для увеличения выходного тока такие батареи, будем называть их модулями, соединяют параллельно. На рисунке ниже мы видим батарею, состоящую из двух модулей, включенных параллельно. Диоды служат для того, чтобы ток из модуля, имеющего большую ЭДС, не перетекал в соседнюю, и напряжение из АКБ не «сливалось» обратно в панель в ночное время.
Схема солнечной батареи, состоящей из двух модулей по 30 элементов в каждой
Нередко солнечными батареями называют электростанции, состоящие из панели (панелей), специального контроллера, аккумулятора и нередко преобразователя постоянного напряжения в переменное 220 В. Это не совсем верно, поскольку батареей, строго говоря, является именно панель или группа панелей, соединенных тем или иным образом.
Обходные диоды
Еще одним элементом, который очень желательно установить, но которым почему-то при конструировании солнечных генераторов все пренебрегают, – обходной или, как говорят, байпасный (англ. bypass — обход). Для чего он нужен? Взглянем на схему, приведенную выше. Нас интересует верхний по схеме модуль, состоящий из элементов SZ1-SZ30.
Пока все элементы освещены и исправны, батарея выдает заданные напряжение и ток. Закроем один элемент рукой. Оказавшись в тени, фотоэлемент начинает «буксовать» – вырабатываемое им напряжение падает, сопротивление возрастает в десятки раз. Результат – весь модуль практически перестает работать, поскольку все элементы в нем включены последовательно. То же самое произойдет, если какой-либо элемент будет разбит или выйдет из строя по любой другой причине. А теперь взглянем на схему ниже:
Пока все элементы работают, шунтирующие их диоды заперты обратным напряжением, вырабатываемым самими фотоэлементами. Как только элемент по каким-либо причинам перестанет работать, упадет вырабатываемое им напряжение. Диод откроется и пустит ток в обход неисправной ячейки. В результате весь модуль будет продолжать работать, а неисправность выльется лишь в небольшое падение напряжения, которое вырабатывала отказавшая ячейка.
Важно! В качестве байпасов желательно использовать диоды с барьером Шоттки, имеющие меньшее падение напряжения. Это, конечно, дороже, но оно того стоит.
Принцип работы солнечных панелей
С конструкцией разобрались, теперь посмотрим, как работают солнечные панели. Как мы выяснили, панель представляет собой набор фотоэлектрических элементов, соединенных в батареи. Поэтому для понимания процесса будет достаточно рассмотреть принцип работы одного фотоэлемента.
По сути, фотоэлемент – обычный полупроводниковый диод, имеющий n- и p-слои, открытые для доступа света. При этом в n-слое присутствует избыток электронов, в p-слое – их недостаток. Под воздействием потока солнечной энергии электроны n-слоя полупроводника устремляются к пустующим местам в p-слое через n-p переход. Попав в p-слой, они стремятся обратно в n-слой, но переход обратно невозможен – из-за разности потенциалов между слоями n-p переход превратился в барьер. Чтобы туда попасть, они должны пройти через нагрузку, что они и делают, создавая электрический ток.
На рисунке цифрами обозначены:
- 1 – внешний прозрачный электрод;
- 2 – n-слой;
- 3 – p-слой;
- 4 – внутренний электрод.
Отличие фотоэлемента от обычного диода состоит еще и в специальных присадках, увеличивающих чувствительность кристалла к свету.
Интересно! Если вскрыть корпус обычного полупроводникового диода или смыть с него краску (для стеклянных), то он превратится хоть и в маленький, малоэффективный, но самый настоящий фотоэлемент.
Виды солнечных батарей
В состав солнечных батарей входят фотоэлементы, изготовленные из разных материалов. Они могут строиться на основе:
- кремния;
- германия;
- арсенид-галлия;
- селена;
- сложных полимеров;
- органических соединений.
Наибольшую популярность получили элементы солнечных батарей, изготавливаемые на основе кремния. Панели из этого материала обладают самым высоким соотношением КПД/стоимость. В свою очередь, кремниевые фотоэлектрические преобразователи делятся на:
- монокристаллические;
- поликристаллические (мультикристаллические);
- аморфные.
Кратко рассмотрим каждый из этих видов.
Монокристаллические
Элемент этого типа, как несложно догадаться из названия, представляет собой тонкий срез одного, но очень большого кристалла кремния. Монокристаллические элементы отличаются довольно высоким (до 25%) КПД, но стоят относительно дорого – вырастить кристалл таких размеров и нужной чистоты, а потом и «распилить» его непросто. Монокристаллический модуль имеет равномерный серый или темно-синий цвет.
Поликристаллические
Элементы этого типа получают путем расплава и медленного охлаждения кремния. В результате образуется пластина, содержащая в себе огромное количество маленьких кристаллов. Мощность каждого из них невелика, но в пластине они работают в параллель и обеспечивают вполне приличные токи. Модули на основе поликристаллов стоят намного меньше монокристаллических, но имеют меньший КПД (обычно не более 18%). Модуль на основе поликристаллов имеет характерный синий или темно-синий цвет с явно выраженной зернистой структурой.
Тонкопленочные модули из аморфного кремния
Такие модули изготавливают путем напыления слоя полупроводника на стекло или полимерную подложку. При этом толщина напыления обычно составляет тысячные миллиметра. Благодаря малому расходу материалов и хорошей технологичности аморфные элементы намного дешевле даже поликристаллических. Кроме того, если в качестве подложки используется полимерная пленка, то такую батарею можно буквально свернуть в трубочку и легко уложить на неровную поверхность.
Платой же за все эти преимущества является низкий – всего 5-8% – КПД. Аморфный модуль имеет равномерный красно-коричневый или черный цвет. Ну а если он выполнен из пленки, то, конечно, легко гнется.
Схема подключения батареи к контроллерам и аккумуляторам
Как устроены солнечные батареи и из чего они состоят, мы выяснили. Теперь поговорим о практическом использовании. Сама по себе солнечная панель малополезна. Она выдает не особо высокое напряжение, которое, кроме того, постоянно меняется. Пасмурно – напряжение одно, солнечно – другое. Набежала тучка – получили скачок.
Далее, солнечная панель выдает постоянный ток, в то время как большинство бытовых приборов работает на переменном. Ну и, конечно, солнечные батареи абсолютно бесполезны ночью. Чтобы получить от такого источника какую-то пользу, необходимо энергию запасти и преобразовать до нужных значений. То есть нужно построить солнечную электростанцию.
В качестве накопителя энергии очень удобно использовать обыкновенные автомобильные аккумуляторы. Они идеально подходят по напряжению и легко подбираются по емкости. Кроме того, что батарея будет запасать энергию, она дополнительно стабилизирует напряжение. Упало оно на панели – потребитель будет получать питание от аккумулятора. Поднялось – панель будет питать потребители и одновременно заряжать АКБ.
Преобразование постоянного напряжения батареи в переменное 220 В несложно сделать при помощи так называемого инвертора (преобразователя). Сегодня таких устройств самой разной мощности и стоимости полные прилавки.
Важно! Выбирая преобразователь, необходимо учитывать, что некоторым бытовым приборам, к примеру, холодильникам, необходима чистая синусоида. Большинство же недорогих устройств выдают не настоящую синусоиду, а так называемую аппроксимированную, состоящую из набора разнополярных прямоугольников.
Но нельзя просто взять и подключить панель к аккумулятору. Ведь заряжать АКБ нужно определенным током и нельзя допускать ее перезарядки. Поэтому нам понадобится еще один узел – контроллер заряда АКБ. Он самостоятельно будет выдерживать зарядный ток и отключит АКБ от панели, если она полностью заряжена или панель не в состоянии обеспечить необходимое напряжение.
Купить такой прибор тоже не проблема, причем есть совсем недорогие модели, хотя при желании можно взять устройство с целым набором дополнительных функций: вольтметром, таймером, собственным преобразователем и т. д. Ну и цена, конечно, будет соответствующей. Что касается схемы соединения всех узлов, то она довольно проста.
Особых пояснений она не требует. Напряжение с панели поступает на контроллер, который заряжает аккумулятор и питает низковольтную нагрузку (не все модели). Аккумулятор же, в свою очередь, питает преобразователь, если энергии солнечной панели для этих целей недостаточно.
Конечно, такая схема не является универсальной – все будет зависеть от используемого контроллера. В любом случае она окажется такой же простой и обязательно будет прилагаться в комплекте с прибором.
Как добиться максимальной эффективности
Для того чтобы работа солнечной электростанции была максимально эффективна, при ее постройке и монтаже необходимо учитывать некоторые особенности солнечных панелей. Особо следует обратить внимание на следующие моменты:
- Температура. Чем ниже температура окружающего воздуха и самой панели, тем она эффективнее. Поэтому не загораживаем солнечные элементы от ветра и тем более не помещаем в стеклянный аквариум для дополнительной защиты. О защите от окружающей среды уже побеспокоились производители.
- Тень. Устанавливаем батареи в месте, где в течение всего светового дня не будет тени. Стоит элементам попасть в тень, как эффективность их упадет на 50-60%.
- Угол наклона. Наиболее эффективно панель работает тогда, когда солнечные лучи на нее падают под прямым углом. Точно, конечно, его выдержать не удастся – солнце движется. Поэтому выставляем прямой угол в полдень в середине весны. Это будет оптимально.
- Пыль. Регулярно очищаем панель от пыли и прочего мусора. Даже слой пыли, малозаметный на глаз, задерживает до 40% солнечных лучей. Поэтому не ленимся, берем шланг и «купаем» наши батареи.
- Отражение. Если элементы закрыты обычным стеклом, то часть света от него просто отражается, не добравшись до фотоэлементов. Особенно этот эффект проявляется утром и вечером, когда угол падения лучей небольшой. Частично с этим можно бороться при помощи антибликового покрытия. Если есть такая возможность, стоит купить именно такие панели. Стоить это будет ненамного дороже, а эффект окажется весьма ощутимым.
- Контроллер. КПД солнечной электростанции сильно зависит от того, насколько эффективно используется вырабатываемая панелью энергия. Именно этим и занимается контроллер, который может быть двух типов: ШИМ и MPPT. Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что второй тип намного предпочтительнее, поскольку он следит за точкой максимальной мощности, постоянно удерживая ток и напряжение на оптимальном для текущей освещенности значении. ШИМ же контроллер лишь регулирует величину напряжения, поступающего с панели, тем самым оптимизируя ток зарядки АКБ.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что пока рано говорить о «даровой» солнечной энергии. Тем не менее такой вариант будет отличным выходом из положения, когда других вариантов (простите за каламбур) нет. Неэлектрифицированные дачи, охотничьи домики, удаленные пасеки… да мало ли объектов, куда провести линию электропередач нет возможности. Тот же поход в Гималайские горы. Взял панель, свернутую в трубочку, и аккумулятор от мопеда. Контроллер в карман, инвертор не нужен. И свет, и музыка, и связь, и даже ноутбук.
Вот мы и выяснили, какими бывают солнечные батареи, из чего состоят, как работают и что умеют. Возможно, кто-то, прочтя эту статью, задумается о постройке солнечной электростанции.
Сейчас читают:
