Зовсім недавно, коли ми ще ходили в школу, сонячна батарея для вироблення електрики здавалася чимось фантастичним. Нам здавалося, що їх можна використовувати тільки на космічних кораблях. Але пройшло 20─25 років і сонячні батареї не тільки з'явилися в годинах і калькуляторах, але і вже здатні забезпечувати електроенергією приватні будинки та дачі. А сучасні сонячні електростанції можуть забезпечувати електроенергією невеликі містечка. Широке поширення сонячні батареї отримали європейських країнах, США, Ізраїлі та інших регіонах з високою сонячною інсоляцією. І їх використання вже дає суттєву економію електроенергії та гарячого водопостачання.
Зміст статті
Що потрібно для перетворення сонячної енергії?
Сонячна енергія може бути перетворена в теплову і електричну. Найперші кроки у використанні енергії сонця людина зробила саме в напрямку отримання тепла. Можна сказати, що в цьому випадку і перетворення немає. Принцип роботи простий. Він полягає в зборі сонячного тепла. Тому і пристрої для цього називаються сонячні колектори. Принцип роботи таких установок полягає в зборі тепла з допомогою абсорбера і передачі його теплоносія. В якості останнього виступає вода або повітря. Такі установки часто використовуються для опалення та гарячого водопостачання приватних будинків. Другий варіант використання сонячної енергії - це перетворення її в електрику.
фотоелектричний елемент
Рослини на нашій планеті вже мільйони років перетворять сонячну енергію хімічних зв'язків. В результаті цього процесу, званого фотосинтезом, виходить глюкоза. Принцип роботи фотосинтезу людині відомий вже давно. Детальніше про те, як організми використовують сонячну енергію , Читайте за вказаним URL.
У цьому матеріалі мова у нас піде про отримання електрики за допомогою сонячних батарей. Для цього використовуються фотоелектричні елементи. Це напівпровідники на основі кремнію, які виробляють постійний електричний струм під дією світла. Як матеріал для фотоелементів використовуються сполуки кремнію з кадмієм, міддю, индием. Крім того, вони можуть відрізнятися технологією виготовлення.
- монокристалічні;
- полікристалічні;
- Аморфні.
Фотоелектричні панелі з монокристалів кремнію вважаються найбільш ефективними і мають високий ККД. Фотоелементи з полікристалічного кремнію коштують дешевше і мають найнижчу вартість отримання вата електроенергії. Є також фотоелектричні елементи на базі аморфного кремнію. З них роблять гнучкі сонячні панелі . Випускаються вони з аморфного кремнію. Виробництво таких елементів простіше, ніж моно і полікристалів. В результаті ціна нижче, але ККД залишають бажати кращого (5─6%). Крім того, панелі з аморфного кремнію мають менший термін служби, ніж попередні два типу. Щоб збільшити ефективність роботи елементів, в кремній додають мідь, селен, галій, індій.
Фотоелементи в сонячній батареї
Фотоелектричні елементи об'єднуються в сонячну батарею. Як правило, число фотоелементів в батареї кратно 36, але є й інші варіанти. Крім сонячної батареї до складу геліосистем входять і інші пристрої для того, щоб накопичувати і розподіляти електроенергію. Зокрема, це:
- Акумулятор (один або кілька);
- Інвертор (перетворює напругу з 12 або 24 в 220 вольт);
- Контролер для управління зарядом-розрядом акумулятора і подачі живлення в мережу.
За призначенням можна виділити дві великі групи пристроїв. Сонячні батареї малої потужності (до десяти ват) застосовуються в мобільних гаджетах або power bank для зарядки. Системи більше потужності використовуються для електрифікації приватних будинків і дач. Вони зазвичай розташовуються на дахах і фасадах будинків, рідше на ділянках поруч з будинком. Є пристрої, які дозволяють відслідковувати сонце і змінювати кут нахилу в залежності від його положення. Тепер подивимося, як працює сонячна батарея і від чого залежить ефективність її роботи.
Принцип роботи сонячної батареї
Як працює сонячна батарея?
Сонячна енергія перетворюється в послідовно підключених фотоелементах. Розглянемо принцип роботи сонячної батареї на рівні фотоелектричних елементів. Основою фотоелемента є кристал кремнію. З'єднання кремнію дуже поширені в природі. Найвідоміший - це оксид кремнію або пісок. Кристал кремнію можна спрощено назвати великою піщинкою. Кристали вирощуються штучно в лабораторних умовах. Зазвичай їх отримують кубічної форми, а потім на пластини. Товщина цих пластин всього 200 мікрон. Це в 3─4 рази товще волосся людини.
Принцип роботи фотоелемента
На отримані пластини кремнію завдано з одного боку шар бору, а з іншого ─ фосфору. У місцях контакту кремнієвої пластини з бором є надлишок електронів. На іншій стороні по межі кремнієвої пластини з фосфором бракує електронів. Там утворюються «дірки», як їх прийнято називати. Таку стикування кордонів з надмірною кількістю електроном і їх недоліком називають pn переходом.
При попаданні сонячного світла на фотоелементи батареї їх поверхню бомбардируется фотонами. Вони вибивають надлишкові електрони на кордоні з фосфором, і вони починають рух до «діркам» на кордоні з бором. Таким чином, виникає електричний струм, який є впорядкованим рухом електронів. До фотоелементу підводяться металеві доріжки, через які і збирається струм. В цьому і полягає принцип роботи кремнієвого фотоелемента.
Потужність одного фотоелектричного елемента маленька, а напруга становить близько 0,5 вольта. Тому їх послідовно об'єднують в батареї по 36 штук, щоб отримати на виході 18 вольт. Це вистачить для того, щоб зарядити акумулятор 12 вольт. Тут ще треба врахувати, що заявлене напруга і потужність будуть тільки при роботі батареї з максимальною віддачею, що в реальних умовах рідкість. Зібрана батарея поміщається підкладку, закривається склом і герметизується. Що використовується скло повинне пропускати ультрафіолет, оскільки сонячна батарея також перетворює і цю частину спектра. Зібрані батареї можуть об'єднуватися один з одним в послідовні і паралельні ланцюжки. виходить невелика сонячна електростанція .
Сьогодні сонячні батареї встановлюються в своїх будинках і на дачах для економії електроенергії. Такі мініатюрні геліосистеми працюють цілий рік. Головне, щоб поверхня панелей була чистою і світило сонце. У ряді випадків їх ефективність вище в морозний сонячний день, ніж в літній. Це пояснюється тим, що розігрів сонячних модулів трохи знижує ефективність їх роботи.
Гелиосистема: сонячні батареї і колектори
Відразу варто відзначити, що повністю відмовитися від електрики з централізованих мереж не вийти. Але, встановивши сонячну батарею, вдасться значно економити на комунальних витратах. Варіант, звичайно, не годиться для квартири. Нормально експлуатувати таку систему вийти тільки в заміському будинку або на дачі, де достатньо місця для встановлення сонячних панелей.
У центральних регіонах Росії гелиосистема окупається приблизно за 5 років. У південних регіонах термін окупності значно скорочується. Часто разом з сонячними батареями встановлюються колектори для опалення будинку. Зараз є фабричні сонячні колектори, які можуть підігрівати воду цілий рік.
Що стосується встановлення сонячних батарей, то тут слід відзначити наступні моменти:
- Встановлювати панелі потрібно на південній стороні даху, фасаду або на ділянці стороною на південь;
- Кут нахилу відповідає значенню широти вашого регіону;
- Поряд не повинно бути об'єктів, відкидають тінь на сонячні батареї;
- Поверхня панелей потрібно регулярно очищати від бруду і пилу;
- Бажано використовувати системи з відстеженням положення сонця.
Тепер вам зрозумілий принцип роботи сонячних батарей і їх можливості. Зрозуміло, що не слід відмовлятися від централізованого постачання електроенергією. Сучасні геліосистеми поки не в змозі повноцінно забезпечувати будинок енергією в похмуру погоду. Але як частина комбінованої системи енергопостачання будинку вони дуже доречні.
Якщо стаття виявилася для вас корисною, розповсюдьте посилання на неї в соціальних мережах. Цим ви допоможете розвитку сайту. Голосуйте в опитуванні нижче і оцінюйте матеріал! Виправлення і доповнення до статті залишайте в коментарях.
Як працює сонячна батарея?
