Солнечные батареи. Виды и устройство. Работа и применение

На долю солнечной энергии приходится около одного процента всех мощностей, получаемых традиционными и нетрадиционными способами. Добиться этого удается за счет повсеместного использования специальных чувствительных приемников излучения. Солнечные батареи в виде панелей из полупроводниковых фотоэлементов позволяют трансформировать и накапливать экологически чистую и дешевую энергию. Совершенствованию этой технологии способствует постоянно растущие тарифы на электроэнергию, получаемую традиционными способами и слишком дорого обходящуюся потребителю.

Устройство и принцип действия солнечных гелиосистем

Ustroistvo

Солнечные батареи – хорошая альтернатива традиционным источникам, отличающаяся простотой устройства. Типовая гелиосистема состоит из следующих основных частей:

Контроллер.
Батарея.
Инвертор.
Коллектор.
Электрооборудование.

Самый важный компонент системы коллектор (солнечные панели) воспринимает излучение Солнца и преобразует его в постоянный электрический ток. На основе таких панелей собираются рабочие модули, объединенные в солнечные коллекторы определенной мощности.

Встроенный в систему контроллер необходим для управления процессом накопления электрической энергии в аккумуляторах, ток зарядки которых поддерживается на фиксированном уровне. Инверторное электронное устройство позволяет получить из постоянного напряжения необходимые для работы оборудования переменные 220 В.

Принцип работы такой системы очень прост. При попадании на фотоэлементы солнечных лучей по ним начинает протекать электрический ток, который через контроллер поступает в цепь зарядки аккумулятора. Полностью зараженная батарея передает накопленный заряд на инверторное устройство, преобразующее постоянное напряжение в переменные 220 В.

Требования к конструкции системы

Солнечные батареи способны генерировать дешевую электрическую энергию лишь при выполнении ряда основных требований, предъявляемых к конструкции:

Суммарная площадь коллектора, изготовленного из фотоэлементов, должна быть достаточно большой.
На питание контроллера и инверторного устройства расходуется энергия, забираемая от того же аккумулятора.
Зарядки батарей должно быть достаточной для того, чтобы система продолжала функционировать некоторое время в пасмурную погоду.

При разработке таких систем учитывается необходимость в резервном аккумуляторе, подзаряжаемом от местной электросети. Потребность в нем объясняется тем, что если солнечные батареи разрядятся, то контроллер и инвертор не смогут нормально работать.

Разновидности солнечных батарей

Солнечные элементы различаются по своей конструкции, размерам коллекторных сборок и максимальной мощности. По используемому для их изготовления материалу эти изделия делятся на кремниевые и пленочные. Первые традиционно применяются в солнечных коллекторах, устанавливаемых в частных хозяйствах и на других объектах. Они подразделяются на поликристаллические, монокристаллические и аморфные.

Особого внимания заслуживают пленочные. При их производстве используются следующие полупроводниковые элементы:

Кадмий.
Материалы с аббревиатурой «CIGS».
Индий.

Кадмиевые пленки использовались в самых первых образцах солнечных батарей в космических целях. (70-е годы двадцатого века). Сегодня они в основном применяются при изготовлении солнечных элементов бытового и промышленного назначения. Модули из полупроводникового материала «CIGS» изготавливаются на основе двух компонентов (селенида меди и индия).

Solnechnye batarei gibkie

Классификация по размерам

Согласно этой характеристике пленочные панели условно делятся на крупногабаритные, средних размеров и компактные или мобильные. Этот показатель нормируется соответствующими стандартами и принимает ряд фиксированных значений.

Крупногабаритные изделия применяются в установках промышленного назначения или в бытовых гелиосистемах большой мощности. Для небольших частных хозяйств подойдут солнечные панели меньших габаритов, а компактные устройства удобны тем, что их можно переносить с одного места на другое.

Мобильные модули могут иметь несколько исполнений:

Низкой мощности.
Гибкие.
Закрепленные на подложке.
Универсальные.

Мощности первых хватает лишь для подзарядки мобильных телефонов, а вторые легко сворачиваются в рулон и переносятся в таком виде. Они пользуются большим спросом у туристов и у людей, предпочитающих активный отдых.

Solnechnye batarei portativnaia

Закрепленные на подложке солнечные батареи имеют значительный вес (7-10 кг) и позволяют получать большее количество энергии. Они разработаны для любителей путешествий и дальних поездок, но могут использоваться и для автономной работы в частном хозяйстве или при организации электроснабжения небольшого загородного домика. Универсальные пленки, также подходящие для любителей туризма, оснащаются несколькими переходниками. При весе всего лишь 1,5 кг они позволяют заряжать на природе сразу несколько мобильных телефонов.

Показатель мощности

Мощность солнечной батареи – ее способность обеспечивать заданную величину тока в нагрузке в единицу времени. Эта величина определяется по ее максимальному значению, индивидуальному для каждого вида изделия. При нахождении точного значения исходят из введенной для этого типа преобразователей константы (солнечной постоянной), равной 1 кВт на 1 м².

Она измеряется в определенных климатических условиях (в солнечный день с температурой воздуха 25°C) при строго вертикальном падении лучей. Из-за низкого КПД солнечных гелиосистем (его среднее значение составляет не более 24%) максимальная мощность в расчете на 1 м² не может превышать 0,24 кВт. Этот показатель определяется в идеальных условиях, создаваемых за счет коррекции положения воспринимающих поверхностей по отношению к Солнцу.

В реальной обстановке потребуется учитывать целый ряд факторов, включая погоду, климатические условия в данной местности и время года. При расчете показателя мощности также придется вводить поправки на продолжительность светлого времени суток в данном месте.

Преимущества и недостатки солнечных батарей

К преимуществам преобразователей солнечной энергии относят:

Относительно высокий КПД (от 14 до 30%), если сравнивать их с другими видами альтернативных источников энергии.
Абсолютная экологичность, которой в современных условиях уделяется особое внимание.
Экономичность эксплуатации и простота обслуживания гелиосистем.
Универсальность, надежность и долговечность.
Быстрая окупаемость вложений.

Экономичность солнечных батарей проявляется в том, что в южных регионах страны они могут использоваться для горячего водоснабжения. Это позволяет сэкономить до 60% тепловой энергии в течение года. Солнечные батареи могут быть востребованы не только в частном хозяйстве.

Их допускается эксплуатировать на самых различных объектах, включая промышленные предприятия, а также учебные и медицинские учреждения. В заводских условиях они применяются в качестве технологических источников теплой воды в летнее время. Зимой их можно использовать для централизованного отопления помещений и вспомогательных построек.

Такие системы окупаются в течение нескольких лет, что позволяет их владельцу сэкономить значительные суммы. С учетом существующих тарифов на электроэнергию и дизельное топливо можно утверждать, что сроки окупаемости гелиосистем составят 3-4 года. Эти цифры справедливы для частных хозяйств с проживающей в них семьей из 5-7 человек. При замене гелиосистемами газовых источников энергии окупаемость составит около 8-10 лет.

Несмотря на перечисленные положительные качества, солнечные батареи не лишены недостатков. К минусам этих систем относят низкий КПД (если сравнивать с традиционными источниками энергии) и допустимость использования только в регионах со значительным количеством солнечных дней.

Особенности конструкции и электропитания элементов гелиосистем

Получить необходимую токовую отдачу от солнечных панелей удается при условии, если количество фотоэлементов в модуле как минимум составляет от 36 до 72 штук. Возможны варианты исполнения с вдвое увеличенным числом фоточувствительных элементов (от 72 до 144 штук). К недостаткам последних относят сложность транспортировки и снижение надежность всей системы.

Solnechnye batarei dvustoronnie

Солнечные батареи с входящими в их состав контроллером и инверторным устройством рассчитаны на питающие напряжения, которые выбираются из стандартного ряда значений: 12, 24 или 48 В. При подборе подходящей конструкции предпочтение отдается последнему показателю, позволяющему получать меньший ток в нагрузке и использовать соединительные проводники с небольшим сечением.

С другой стороны, при меньших напряжениях (12 В, например) проще подобрать и заменить в случае необходимости вышедшие из строя аккумуляторы. При выборе системы с питанием 24 Вольта возникают сложности с полной заменой сразу двух аккумуляторов. А в случае обновления 48-вольтового электропитания необходима замена сразу 4-х АКБ. Для комплекса из солнечных батарей потребуются аккумуляторы особой марки, выпускаемые с пометкой «Solar» и подбираемые из одной партии.