Солнечные батареи: сфера применения и принцип работы оборудования

К числу менее известных производителей комплектов солнечных установок в России и Украине можно отнести такие компании, как Телеком-СТВ, Хевел, Сатурн, Квант, Квазар, Пролог Семикор, Энхол и Чистые энергетические технологии.

Как выбрать солнечные батареи. Советы покупателю

Солнечная батарея представляет собой устройство, которое преобразует солнечное излучение в электрическую энергию. Впервые принцип работы солнечной батареи был описан в 1839 году французским физиком Александром Беккерелем. Реальное применение данной технологии стало возможным в 1873 году с использованием первых полупроводников. Энергетическая технология, использующая солнечную энергию, быстро набирает популярность по всему миру, так как эта форма энергии является возобновляемой. Эксплуатационные расходы на солнечные батареи очень невелики — затраты возникают только на покупку и установку оборудования. Электрическая энергия, вырабатываемая солнечными установками, отличается низкими ценами и доступностью, благодаря чему активно используется в различных странах. Если вы решили стать частью движения «зеленой энергетики», вам необходимо разобраться в том, как правильно выбрать солнечные батареи для вашего частного дома, дачи или даже квартиры.

Стандартная солнечная батарея состоит из алюминиевой рамы, солнечных элементов, специального стекла, подложки, токоведущих жил и распределительной коробки.

Рис. 1 Устройство солнечной батареи

Рама панели представляет собой алюминиевую конструкцию, обеспечивающую жесткость и являющуюся основой для остальных компонентов батареи. Солнечные элементы производятся на основе кремния и могут быть изготовлены либо монокристаллическим, либо поликристаллическим методом. Применение полупроводниковых преобразователей обеспечивает прямое, эффективное преобразование солнечной энергии в электрическую.

В солнечных батареях используется фотовольтаический эффект, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при взаимодействии с солнечным излучением. Неоднородность полупроводникового слоя достигается способом легирования одного полупроводникового слоя различными примесями либо путем соединения нескольких слоев полупроводников с различными ширинами запрещенной зоны, создавая гетеропереходы. Также для получения неоднородных кремниевых полупроводников используют изменение их химического состава. Эффективность солнечной батареи определяется ее оптическими свойствами, одним из которых является фотопроводимость. Потери энергии при работе солнечных батарей могут происходить из-за нескольких факторов: частичного отражения солнечных лучей, прохождения невсосанных лучей сквозь фотопреобразователи, рассеяния избыточной энергии фотонов, а также внутреннего сопротивления преобразователей.

Выбор параметров солнечной батареи

Ключевым вопросом для покупателей становится: как выбрать оптимальную солнечную батарею? Существует несколько типов фотоэлементов, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки:

1. Поликристаллические элементы, в которых фотоэлектрические преобразователи созданы поликристаллическим способом, что снижает цену солнечной батареи, однако уменьшает ее эффективность. Исполнение этих элементов обеспечивает коэффициент полезного действия (КПД) в пределах 17-19%.
2. Монокристаллические элементы, изготовленные по монокристаллической технологии, обладают КПД 20-21%. Хотя стоимость этих батарей выше, их размер также меньше в сравнении с поликристаллическими, что делает их пригодными для ограниченного пространства. Готовые солнечные батареи на основе поликристаллической технологии имеют КПД 13-17%, тогда как монокристаллические панели достигают КПД 15-18,5%.
3. Аморфные элементы, имеющие самый низкий КПД (4-6%), производятся из аморфного кремния.
4. Арсенид галлия (GaAs) — для создания высокоэффективных преобразователей активно используется арсенид галлия, который обладает гетероструктурой и большей запрещенной зоной, что позволяет увеличить КПД солнечных батарей до 35-40%. Однако, стоит отметить, что такие элементы имеют высокую цену и находят свое применение преимущественно в космической промышленности.

Рис. 2 Типы солнечных элементов

Какие виды солнечных батарей существуют?

Существует несколько способов классификации солнечных панелей, среди которых основными являются:

1. Тип устройства.
2. Материал, из которого изготовлен фотоэлектрический слой.

По типу устройства солнечные панели бывают гибкими и жесткими. Гибкие панели отличаются высокой пластичностью — их можно, например, скрутить в трубочку без вреда для структуры. Жесткие панели сохраняют свою форму. По материалу изготовления выделяют три категории: аморфные, поликристаллические и монокристаллические.

Гибкие аморфные батареи можно устанавливать в различных условиях, однако их КПД остается довольно низким и составляет не более 6%. Поликристаллические панели имеют приемлемую цену и более эффективны в условиях пасмурной погоды. В жаркую погоду их производительность может несколько снижаться по сравнению с монокристаллическими модулями.

Если важно получить максимальную производительность от системы, лучше выбрать монокристаллические панели с КПД до 25%. Они стоят дороже, поскольку процесс производства монокристаллического кремния требует больших затрат энергии и времени.

Сфера применения солнечных батарей

С развитием новых технологий и концепции получения энергии от солнца, область применения солнечных панелей значительно расширилась. Если раньше такие устройства устанавливались лишь на небольших частных домах или дачах для бытовых нужд, то сейчас существуют мощные солнечные электростанции с высокой эффективностью работы. Это расширило сферы их использования.

Любопытный факт: энергии, которую Солнце выделяет за одну секунду, хватило бы для обеспечения электричеством всего человечества на протяжении пятисот тысяч лет.

Солнечные панели активно применяются на промышленных и коммерческих объектах, что позволяет значительно сократить затраты на энергоснабжение. Их также устанавливают на сельскохозяйственных предприятиях, фермерских хозяйствах и военных объектах. Менее мощные панели используются для создания бытовых приборов, например, фонариков, калькуляторов, зарядных устройств и т.д. Это источники энергии, которые востребованы там, где отсутствует возможность подключения к централизованным сетям. Подобные устройства пользуются спросом среди охотников, рыбаков и любителей походов.

Важно понимать, что современные солнечные электростанции будут эффективны как в домашних условиях, так и на больших промышленных объектах, однако для этого их нужно правильно подбирать с учетом требуемой мощности. Расчет данной нагрузки должен осуществляться опытным специалистом.

Краткая история появления и распространения гелиобатарей

Предпосылкой для создания современных солнечных электростанций стало открытие французского физика Александра Эдмона Беккереля, который в 1842 году установил возможность преобразования солнечного света в электрическую энергию. Затем изобретатель Чарльз Фриттс провел ряд успешных экспериментов, применяя селен для преобразования света в электричество. Первые прототипы солнечных батарей-панелей были представлены фотохимиком Джакомо Луиджи Чамичаном из Италии.

О начале массового производства гелиопанелей сообщила американская корпорация Bell Laboratories 25 апреля 1948 года. Проект осуществлялся благодаря таланту группы ученых в составе Дэрила Чапина, Кельвина Соулзера Фуллера и Геральда Пирсона. Эффективность созданной установки на тот момент составляла не более 6%, хотя это изобретение уже могло питать радиопередатчик и игрушечное чертово колесо.

Тем не менее, индустрия солнечной энергетики не стояла на месте: 17 марта 1958 года Соединенные Штаты запустили в космос спутник «Авангард-1», работающий на солнечной батарее. Еще через месяц, 15 мая 1958 года, Советский Союз успешно запустил аппарат «Спутник-3», также использовавший солнечные панели.

Четыре вида солнечных батарей-панелей

Существующие установки для преобразования солнечной энергии в постоянный и переменный ток делятся на три типа в зависимости от материалов, используемых для производства солнечных элементов. Специально выделяются инновационные прозрачные батареи.

Монокристаллические

Обладают максимальной эффективностью, особенно в солнечную погоду — в таких условиях их КПД может достигать 25%. Однако стоит отметить, что такие панели являются и самыми дорогими.

• Наивысший КПД — 22%;
• Компактные размеры среди аналогичных по мощности;
• Срок службы достигает 25 лет.

• Высокая цена;
• Чувствительность поверхности к загрязнениям.

Поликристаллические

Являются наиболее экономичными и отличаются высокой эффективностью в условиях облачной погоды. Однако стоит учитывать, что у таких устройств относительно крупные размеры.

• КПД до 18%:
• Минимальный процент бракованных изделий;
• Стоимость ниже на 10% по сравнению с монокристаллическими батареями.

• Относительно большие размеры;
• Чувствительность к высоким температурам приводит к снижению КПД.

Аморфные

Эти панели отличаются гибкостью и могут быть скручены в трубочку, не нанося повреждений. Они непривередливы к условиям установки, но их КПД не превышает 6%. Аморфные батареи выделяются высоким качеством и компактным дизайном, так как они изготавливаются без кремниевых ячеек и пленок.

Этот тип гелиопанелей хорошо подходит для использованию в условиях пасмурной погоды и низкого освещения. Аморфные модули выбирают не только в регионах с низкой активностью солнца и коротким световым днем, но также владельцы домов, где возможна установка модулей только на северной или затененной стороне.

• Эстетичный внешний вид;
• Низкая стоимость;
• При высокой температуре КПД даже повышается;
• Отличная производительность в условиях рассеянного света;
• Срок службы без деградации до 20 лет.

• Небольшая мощность — до 160 Вт;
• Больше места на установку — для получения большей мощности потребуется разместить больше батарей.

Прозрачные

Прозрачность достигается использованием тонкой пленки аморфного кремния, помещенной на стеклянное основание. Это позволяет применять такие панели для остекления, нахождения в производстве окон, ограждений и рекламных баннеров. На рынке представлены модели разного цвета и прочности.

Виды

Солнечные батареи с каждым годом становятся все более популярными. На первый взгляд может показаться, что все солнечные модули схожи: они состоят из множества маленьких фотоэлементов, соединенных между собой и защищенных прозрачной пленкой. Однако на самом деле все модули различаются по мощности, конструкции и размерам. На сегодняшний день производители делят солнечные системы на два основных типа: кремниевые и пленочные.

Для бытовых нужд чаще всего используются солнечные батареи, основанные на кремнии, которые занимают лидирующие позиции на рынке. Среди них выделяются три основные категории: поликристаллические, монокристаллические, которые были рассмотрены ранее, и аморфные, на которых стоит остановиться подробнее.

Аморфные элементы также производятся на основе кремния, но обладают гибкой и эластичной структурой; их изготавливают не из кристаллов кремния, а из силана (кремневодорода). Основная особенность аморфных модулей — их высокая эффективность в условиях пасмурной погоды и способность повторять любой рельеф. Но их КПД значительно ниже и составляет около 5%.

Второй тип солнечных панелей — пленочные, которые создаются на основе нескольких веществ:

• Кадмий — такие панели были разработаны еще в 70-х годах и использовались в космосе, но на сегодняшний день кадмий также применяется в производстве как промышленных, так и бытовых солнечных электростанций;
• Модули на основе полупроводников CIGS — содержат селений меди и индия, что делает их пленочными панелями. Индий широко используется также в производстве жидкристаллических дисплеев;
• Полимер — также применяется при изготовлении солнечных пленочных модулей. Толщина одной панели составляет около 100 нм, однако КПД остается на уровне 5%. К преимуществам таких установок можно отнести доступную стоимость и отсутствие вредных выбросов.

На сегодняшний день на рынке также представляют собой менее громоздкие переносные модели. Они разрабатываются специально для использования в условиях активного отдыха. Чаще всего такие солнечные батареи служат для подзарядки портативных устройств: смартфонов, фотоаппаратов и видеокамер.

Переносные модули можно разделить на четыре типа:

• Маломощные — обеспечивают минимальный заряд, достаточный для подзарядки мобильного телефона;
• Гибкие — могут сворачиваться в рулон и имеют небольшой вес, что делает их популярными среди туристов;
• Закрепленные на подложке — такие установки имеют больший вес (примерно 7-10 кг) и способны вырабатывать больше энергии. Они предназначены для дальних автомобильных поездок и частичного автономного снабжения загородного дома;
• Универсальные — незаменимы в пешем туризме, поскольку имеют несколько переходников для одновременной подзарядки различных устройств, их вес достигает 1,5 кг.

Эффективность работы зимой

Для солнечных систем морозная погода не является препятствием. Основной характеристикой является количество ясных солнечных дней. Например, если использовать солнечную батарею для горячего водоснабжения, даже в условиях жестоких тридцатиградусных морозов вы сможете поддерживать температуру воды в баке в пределах 40°C – 50°C.

В регионах с резко континентальным климатом и холодными зимами, отказаться от центрального отопления может быть непросто. Однако можно интегрировать в систему косвенные нагревательные баки, которые позволят сочетать различные источники тепла и автоматически подключать солнечную энергию по мере необходимости.

Кроме того, солнечные системы могут поддерживать отопление с помощью теплых полов. Для 100 квадратных метров площади потребуется примерно 8 коллекторов. В летний период такая система может оказаться избыточной, за исключением ситуаций, связанных с поддержанием температуры в бассейне или сауне.

В холодное время года более целесообразно использовать накопленную с лета энергию. В этом случае следует дополнительно установить аккумулятор, обеспечивающий накопление электрической энергии.

Этот элемент имеет важное значение в системе, так как аккумулятор позволяет сохранять электрическую энергию, полученную от солнечных модулей. Это даст вам возможность использовать солнечную энергию для электроснабжения дистанционно.

Применение солнечных батарей

Солнечные панели используют не только в космонавтике и для обеспечения частных домов электроэнергией, но и в следующих сферах:

• Автомобилестроение. Автомобили, работающие на солнечной энергии, становятся всё более популярными. Это связано с экологической безопасностью, поскольку выбросы от бензина и газа загрязняют атмосферу, а цены на топливо постоянно растут. Солнечные машины могут развивать скорость до 140 км/ч.
• Эксплуатация водного транспорта (катеров, яхт). В таких странах как Турция, можно встретить этот вид транспорта. Лодки развивают скорость до 10 км/ч, позволяя туристам осмотреть достопримечательности и наслаждаться прекрасными пейзажами.
• Энергообеспечение зданий. Во многих развитых европейских странах муниципальные здания полностью автономны и обеспечивают свои нужды за счет солнечных панелей.
• Самолетостроение. Наличие солнечных батарей позволяет самолетам долгое время лететь без расходования топлива.

Отрасль постоянно прогрессирует. Уже существуют зарядные устройства для телефонов и ноутбуков, использующие солнечную энергию.

На что обратить внимание при покупке солнечных батарей для дома

Эта информация будет полезна вам, если вы приняли решение перейти на солнечные источники энергии. Приобретая комплектующие для системы, важно знать, где возможно сэкономить, а на какие аспекты обратить особое внимание:

1. Покупайте комплектующие (панели, аккумуляторы, инверторы) в конце зимы или начале весны. В это время магазины часто предлагают значительные скидки.
2. Не покупайте сразу много солнечных батарей. Помните, что системы модульные, и можно легко приобрести дополнительное оборудование для удовлетворения потребностей бытовой техники.
3. Рекомендуется заменить все лампы накаливания на светодиодные или LED. Они потребляют меньше энергии и имеют более долгий срок службы.
4. Выбирайте с солнечные батареи с выходным напряжением 12 В. Подобные значения наиболее подходят для бытовой техники, так как лишь немногие устройства используют 24 В или 48 В. Все характерные параметры напряжения можно найти в паспорте устройств.

При выборе солнечных батарей обращайте внимание на защитный корпус из алюминия, так как этот легкий и прочный материал хорошо защищает продукты от коррозии. Поверхность должна быть покрыта матовым стеклом, не допускающим отражения и бликов.

Создавать уют в вашем доме, обеспечивать его теплом и при этом не оплачивать счета за электричество стало возможным с установкой подобной системы энергоснабжения. Однако стоит учитывать, что это требует значительных вложений и имеет свои нюансы. Осознав все преимущества и недостатки, надеемся, вы сможете сделать правильный выбор.

Как вам статья?