Солнечные панели: устройство и принцип действия

Солнечные панели: устройство и принцип действия

Солнечные технологии продолжают процветать в разных странах. Создание и повышение эффективности солнечных модулей позволяет снизить затраты на электроэнергию. Частные дома и предприятия переходят на возобновляемые источники энергии. У вас может возникнуть вопрос: как устроены и как работают солнечные панели? Ответ найдете ниже.

Как устроена солнечная панель?

Конструкционная составная солнечной панели достаточна проста и примитивна.

Её основными составляющими являются:

• Закаленное стекло
• Плёнка EVA
• Фотоэлементы
• Плёнка PET
• Рамка

Главные в конструкции панели — это фотоэлементы, состоящие из материала полупроводника, в большинстве случаев используется кремний. Он не дорог в добыче, а КПД фотоэлементов на основе кремния достигает 17-25%

Полупроводниковые материалы – это вещества, которые могут изменять свойства, под действием внешних факторов:

• температура,
• давление,
• свет.

Фотоэлемент — прибор позволяющий преобразовывать энергию фотонов в электрическую.

Плёнка EVA — ламинирующая плёнка, которая находится с обеих сторон фотоэлементов и определяет срок службы. Обладает высокой прочностью и способна выдерживать высокие температуры.

Плёнка PET — придаёт защиту и герметичность, от её толщины и качества зависит максимальное напряжение батареи.

Алюминиевая рама — алюминий лучше всего подходит для комплектации, потому что он легкий и прочный. Однако, компоненты из которых состоят солнечные панели (солнечные элементы, стекло) недостаточно прочны, чтобы противостоять ветру, дождю и жаре. Поэтому алюминиевая рама необходима для защиты этих хрупких элементов от износа и разрушения, удержания всей конструкции вместе.

Принцип действия солнечных панелей

Работу солнечных фотоэлементов можно обобщить по следующим пунктам:

1. Солнечные панели поглощают свет для производства электрической энергии.
2. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный.
3. Вырабатываемая электроэнергия подается в электрическую сеть дома.
4. Излишки электроэнергии поступают на подзарядку аккумуляторов.

Солнечный свет в ясную погоду падает на фотоэлементы. Под действием электрического поля, фотоны переводят электроны в возбужденное состояние. Электроны отрываются и перемещаются свободно, переходя из p-слоя в n-слой через пограничный слой и передают свою энергию металлическому контакту (электроду). В итоге на клеммах появляется электрическое напряжение и ток, который через контроллер обеспечивает подзарядку аккумуляторов.

Основные типы солнечных панелей и технология изготовления

Материалом изготовления фотоэлементов выступают полупроводниковые вещества. Основным является кремний.

Визуально тип солнечных панелей можно определить по следующим критериям:

1. Монокристаллические — сегменты чёрного цвета.
2. Поликристаллические — сегменты синего цвета.
3. Тонкоплёночные — могут иметь сегменты как чёрного, так и синего цвета. Цвет зависит от материала, используемого при изготовлении. Главная отличительная особенность — гибкость.

Монокристаллические

Изготавливают монокристаллические солнечные панели из кристалла кремния, который разрезают на тонкие пластины толщиной (250-300 мкм). Данные устройства считаются высококачественным продуктом. Основными преимуществами монокристаллических панелей являются высокая эффективность и эстетичный вид.

Высокая эффективность монокристаллических элементов обусловлена тем, что состоят они из цельного кристалла. В таком кристалле, электроны имеют больше места для перемещения.

Поликристаллические

Поликристаллические солнечные панели имеют синий оттенок. Внешне они похожи на монокристаллические, но отличаются технологией изготовления.

Поликристаллические элементы изготавливаются следующим путем:

1. расплавляют фрагменты кристаллов кремния,
2. заливают расплавленный кремний в специальные формы,
3. после застывания, кремний разрезают на квадратные части для формирования солнечного элемента.

Процесс изготовления поликристаллических солнечных элементов менее трудоемкий и дорогостоящий, что делает их дешевле. При этом они менее эффективны, чем монокристаллические панели.

Тонкопленочные

При изготовлении тонкоплёночных панелей на производстве, могут использовать разные материалы:

• Аморфный кремний (a-Si) — некристаллическая версия кремния.

• Теллурид кадмия (CdTe) — второй по популярности фотоэлектрический материал после кремния. Теллурид кадмия имеет высокую способность к поглощению излучения.

• Селенид индия-галлия меди (CIGS)— полупроводниковое соединение меди, индия, галлия и селена.

Перечисленные составы специальным способом напыляют на базу, которая представляет из себя эластичную панель. В производстве тонкоплёночных модулей чаще всего используется теллурид кадмия (CdTe). Тонкоплёночные элементы могут быть чёрного или синего цвета, в зависимости от материала, из которого они сделаны.

Мощность и эффективность солнечных панелей

Эффективностью называют количество света или излучения, которое, падая на рабочую площадь фотоэлемента, преобразуется в электричество. Другими словами, под эффективностью солнечной панели понимают отношение произведенной электрической энергии — полезной работы ко всей энергии света, который попал на фотоэлемент — затраченной работе.

Монокристаллические панели имеют наиболее высокий КПД и мощность, поэтому они более востребованы на рынке. Их эффективность может достигать до 20%. Мощность монокристаллических солнечных батарей доходит до 300 Вт, а в некоторых случаях и до 400 Вт.

Мощность поликристаллических изделий в среднем достигает 200 Вт. При этом, самые дорогие модели могут вырабатывать 300 Вт. КПД поликристаллических панелей обычно не превышает 15 — 17%. Данные типы панелей поставляются с 60, 72 и 96 кремниевыми ячейками. При равном числе ячеек системы на монокристаллических устройствах можно получить больше электроэнергии.

Тонкопленочные панели уступают по мощности кристаллическим аналогам. КПД достигает 11%. Столь низкий КПД обусловлен эффектом Стаблера-Вронского. Это эффект снижения эффективности солнечных элементов под воздействием света и тепла с течением времени. Его можно заметить в первые часы воздействия солнечного света на панели.

Портативная солнечная батарея

Традиционно солнечные панели были большими и тяжелыми, требующими профессиональной установки, но появилась новая их версия, которую можно транспортировать и использовать в мобильных условиях.

Портативные солнечные батареи меньше, чем стационарные, предназначенные для жилого или коммерческого использования. Эти батареи могут иметь дополнительные функции, такие как складная конструкция, подставка или чехол для переноски.

Они поставляются с набором разъемов USB-порт и micro USB для подачи питания на различные устройства. Портативные солнечные батареи работают в паре с литий-ионным аккумулятором, чтобы их энергию можно было запасать с последующим использованием.

Покупка портативной солнечной батареи сможет обеспечить электроэнергией во время её отсутствия, установка занимает считанные минуты и не требует никаких разрешений.

Способы подключения солнечных элементов

Для подключения солнечных панелей необходим целый набор устройств, с помощью которых можно сделать альтернативное энергоснабжение дома:

1. аккумуляторы — для накопления энергии в периоды, когда выработка превышает потребление и для расходования, когда потребляется энергии больше, чем вырабатывается, например ночью.
2. контроллер — для управления распределением энергии между аккумуляторами и электроприборами и общего управления системой.
3. инвертор — создания переменного напряжения 220 вольт.
4. фотоэлектрические модули, которые преобразуют солнечный свет в электрический ток.

Рассмотрим подробнее состав системы энергоснабжения из солнечных батарей для дома:

Аккумулятор. Накапливает, сохраняет и отдаёт энергию. Он выступает в роли временного хранилища избыточной энергии. Обычно одного аккумулятора недостаточно, для этого устанавливается комплект в зависимости от нужд потребления. Аккумулятор является одним из дорогих компонентов системы.

Контроллер заряда. Это устройство контролирует заряд и разряд аккумулятора. Контроллера отслеживает напряжение аккумулятора и не допускает перезаряда.

Инвертор. Инвертор предназначен для преобразования постоянного тока от солнечной панели в переменный с напряжением 220В, необходимый для работы бытовых электроприборов.

Предохранители. Служат для защиты от короткого замыкания. Их установка предохраняет остальные элементы и электросеть дома.

Набор выключателей и электрокабелей. Необходимы для коммутации всего комплекта оборудования.

Порядок подключения

Очевидно, что большинству домов потребуется более 1 солнечной панели. Рассчитать количество солнечных панелей на дом можно так:

Когда группа модулей соединяется вместе в установке то, они становятся так называемой солнечной батареей. Существует несколько способов подключения: Параллельное и Последовательное.

Последовательное подключение

Последовательное соединение включает в себя соединение каждой панели со следующей в линию (как показано на рисунке).

Как и обычные батареи, панели имеют положительные и отрицательные клеммы. При последовательном соединении соединительный провод от положительной клеммы подключается к отрицательной клемме другой панели и так далее. Образуя цепочку подключённых элементов.

Одним из недостатков данного соединения является то, что затененный фотоэлемент может уменьшить ток через всю цепь.

Параллельное подключение

Подключение считается параллельным, когда все положительные клеммы соединяют в одну цепь, а отрицательные в другую.

Параллельное подключение позволяет увеличить силу тока, при этом напряжение остается прежним.

Например, если вы подключили параллельно две 40-вольтовые панели, номинальная сила тока каждой из которых составляла 5 ампер, результирующее соединение будет иметь напряжение 40 вольт, а сила тока составит 10 ампер.

Параллельное подключение позволяет объединять любое количество солнечных батарей, главное – соединять друг с другом только одноименные клеммы.

Заключение

На сегодняшний день люди ищут разные варианты экономии средств на электроэнергию. Одним из таких вариантов является установка солнечных батарей. Это альтернативный источник энергии, имеющий вид панелей. Они легки в использовании и просты в обслуживании. Длительный срок службы протекает без ухудшения их работоспособности. Так как энергия солнца является неисчерпаемой, то её использование может обеспечить постоянным и независимым энергоснабжением. Использование этого позволяет получать экологически чистую электроэнергию, что является актуальным для современного мира.

Источник https://altenergetika.ru/solnechnye-paneli-ustrojstvo-i-princzip-dejstviya/