Сонячні батареї: як працюють і з чого складаються

1. Сфера використання
2. Принцип роботи
3. Переваги і недоліки застосування батарей
4. Технічні характеристики: на що звернути увагу
5. Види сонячних батарей
6. Елементи з монокристалічного кремнію
7. Фотоелементи з мульти-полікристалічного кремнію
8. Фотоелементи з аморфного кремнію
9. Контролер заряду для сонячних батарей
10. ШІМ-контролер заряду
11. МРРТ-контролер заряду
12. Види акумуляторів, що використовуються в батареях
13. стартерні акумулятори
14. гелеві акумулятори
15. AGM батареї
16. Заливні (OPZS) і герметичні (OPZV) акумулятори
17. Як визначити розмір і кількість фотоелементів?
18. Ефективність сонячних батарей взимку
19. Правила установки

Сонце - це невичерпне джерело енергії. Його можна використовувати, спалюючи дерева або нагріваючи воду в сонячних нагревателях, перетворюючи отримане тепло в електроенергію. Але є пристрої, здатні перетворювати сонячне світло в електрику безпосередньо. Це сонячні батареї.

Сфера використання

Є три напрямки використання сонячної енергії:

• Економія електроенергії. Сонячні панелі дозволяють відмовитися від централізованого електропостачання або зменшити його споживання, а також продавати надлишки електрики електропостачальної компанії.
• Забезпечення електроенергією об'єктів, підведення до яких лінії електропередач неможливо або невигідно економічно. Це може бути дача або мисливський будиночок, що знаходиться далеко від ЛЕП. Такі пристрої використовуються також для живлення світильників у віддалених ділянках саду або автобусних зупинках.
• Харчування мобільних і переносних пристроїв. При походах, поїздках на риболовлю і інших подібних заходах є необхідність зарядки телефонів, фотоапаратів та інших гаджетів. Для цього також використовуються сонячні елементи.

Сонячні батареї зручно застосовувати там, куди не можна підвести електрику до змісту ↑

Принцип роботи

Елементи сонячних батарей є пластинками з кремнію товщиною 0,3 мм. З боку, на яку потрапляє світло, в пластину доданий бор. Це призводить до появи надлишкової кількості вільних електронів. Зі зворотного боку доданий фосфор, що призводить до утворення «дірок». Кордон між ними називається pn перехід. При потраплянні світла на пластину, він «вибиває» електрони на зворотну сторону. Так з'являється різниця потенціалів. Незалежно від розміру елемента, один осередок розвиває напругу 0,7 В. Для збільшення напруги, їх з'єднують послідовно, а для підвищення сили струму - паралельно.

думка експерта

Олексій Бартош

Спеціаліст по ремонту, обслуговування електроустаткування і промислової електроніки.

У деяких конструкціях, для збільшення потужності, над елементами встановлювалися лінзи або використовувалася система дзеркал. Зі зменшенням вартості батарей такі пристрої стали неактуальними.

Максимальний ККД панелі, а, отже, і потужність, досягається при падінні світла під кутом 90 градусів. У деяких стаціонарних пристроях батарея повертається слідом за сонцем, але це сильно здорожує і ускладнює конструкцію.

Принцип роботи сонячної батареї до змісту ↑

Переваги і недоліки застосування батарей

У сонячних панелей, як і у будь-яких пристроїв, є переваги і недоліки, пов'язані з принципом дії і особливостями конструкції.

Переваги сонячних батарей:

• Автономність. Дозволяють забезпечити електроенергією віддалені будівлі або світильники і роботу мобільних пристроїв в похідних умовах.
• Економічність. Для вироблення електроенергії використовується світло сонця, за який не потрібно платити. Тому ФЕС (фотоелектричні системи) окупаються за 10 років, що менше терміну служби, що становить більше 30. Причому 25-30 років - це гарантійний термін, а фотоелектростанція буде працювати і після нього, приносячи прибуток власнику. Звичайно, необхідно врахувати періодичну заміну інверторів і акумуляторних батарей, але все одно, використання такої електростанції допомагає економити кошти.
• Екологічність. При роботі пристрою не забруднюють навколишнє середовище і не шумлять, на відміну від електростанцій, що працюють на інших видах палива.

Крім достоїнств, у ФЕС є недоліки:

• Висока ціна. Така система коштує досить дорого, особливо з урахуванням ціни на акумуляторні батареї та інвертори.
• Великий термін окупності. Кошти, вкладені в фотоелектростанцію, окупляться тільки через 10 років. Це більше, ніж основна маса інших вкладень.
• Фотоелектричні системи займають багато місця - весь дах і стіни будівлі. Це порушує дизайн споруди. Крім того, акумуляторні батареї великої ємності займають цілу кімнату.
• Нерівномірність вироблення електроенергії. Потужність пристрою залежить від погоди і часу доби. Це компенсується установкою акумуляторних батарей або підключенням системи до мережі. Це дозволяє в гарну погоду вдень продавати надлишки електроенергії електрокомпаніі, а вночі навпаки підключати обладнання до централізованого електропостачання.

Технічні характеристики: на що звернути увагу

Головним параметром фотоелементної системи є потужність. Напруга такої установки досягає максимуму при яскравому світлі і залежить від кількості з'єднаних послідовно елементів, яке майже у всіх конструкціях одно 36. Потужність залежить від площі одного елемента і кількості ланцюжків по 36 штук, з'єднаних паралельно.

Крім самих батарей, важливо підібрати контролер зарядки акумуляторів і інвертор, що перетворює заряд акумуляторних батарей в напругу мережі, а також самі панелі.

В акумуляторних батареях є допустимий струм зарядки, який можна перевищувати, інакше система вийде з ладу. Знаючи напругу акумуляторів, легко визначити потужність, необхідну для зарядки. Вона повинна бути більше потужності сонячної електростанції, інакше в сонячний день частина енергії виявиться невикористаної.

Контролер забезпечує заряд акумуляторів і також повинен мати потужність, що дозволяє повністю використовувати енергію сонця.

До инвертору підключається обладнання, яке отримує енергію від ФЕС, тому його потужність повинна відповідати сумарної потужності електроприладів.

Крім потужності і напруги, важливо вибрати фірму-виробника. Таке обладнання купується на термін кілька десятків років, тому економити на якості не можна. Виробники, що давно працюють на ринку, це розуміють і цінують свою репутацію. Можна почитати відгуки про них в інтернеті і вибрати з самими позитивними.

Види сонячних батарей

Крім розміру і потужності, панелі відрізняються способом, яким виготовляються з кремнію окремі елементи.

Зовнішній вигляд моно- і полікристалічних панелей

Елементи з монокристалічного кремнію

Елементи сонячних батарей, виготовлені з монокристалічного кремнію, мають форму квадрата із закругленими кутами. Це пов'язано з технологією виготовлення:

• з розплавленого кремнію високого ступеня очищення вирощується кристал циліндричної форми;
• після охолодження у циліндра обрізаються краю, і підстава з кола приймає форму квадрата із закругленими кутами;
• вийшов брусок розрізається на пластини товщиною 0,3 мм;
• в пластини додаються бор і фосфор і на них наклеюються контактні смужки;
• з готових елементів збирається осередок батареї.

Готова осередок закріплюється на підставі і закривається склом, пропускає ультрафіолетові промені або ламінується.

Такі пристрої відрізняються найвищим ККД і надійністю, тому встановлюються в важливих місцях, наприклад, в космічних апаратах.

Фотоелементи з мульти-полікристалічного кремнію

Крім елементів з цільного кристала, є пристрої, в яких фотоелементи виготовляються з полікристалічного кремнію. Технологія виробництва схожа. Основна відмінність в тому, що замість кристала круглої форми використовується прямокутний брусок, що складається з великої кількості дрібних кристалів різних форм і розмірів. Тому елементи виходять квадратної або прямокутної форми.

В якості сировини беруться відходи виробництва мікросхем і фотоелементів. Це здешевлює готовий виріб, але погіршує його якість. Такі пристрої мають менший ККД - в середньому 18% проти 20-22% у монокристалічних батарей. Однак питання вибору досить складний. У різних виробників ціна однієї кіловат потужності монокристалічних і полікристалічних панелей може бути однаковою або на користь будь-якого виду пристроїв.

Фотоелементи з аморфного кремнію

В останні роки поширення набули гнучкі батареї, які легше жорстких. Технологія їх виготовлення відрізняється від технології виготовлення моно- і полікристалічних панелей - на гнучку основу, зазвичай сталевий лист, напилюється тонкі шари кремнію з добавками до досягнення необхідної товщини. Після цього листи розрізаються, до них приклеюються струмопровідні смужки і вся конструкція ламінується.

Сонячні батареї з аморфного кремнію

ККД таких батарей приблизно в 2 рази менше, ніж у жорстких конструкцій, проте, вони легше і більш міцні за рахунок того, що їх можна згинати.

Такі прилади дорожче звичайних, але їм немає альтернативи в похідних умовах, коли основне значення має легкість і надійність. Панелі можна нашити на намет або рюкзак, і заряджати акумулятори під час руху. У складеному вигляді такі пристрої схожі на книгу або згорнутий в рулон креслення, який можна помістити в футляр, що нагадує тубус.

Крім зарядки мобільних пристроїв в поході, гнучкі панелі встановлюються в електромобілях і електросамолетах. На даху такі прилади повторюють вигини черепиці, а якщо в якості основи використовувати скло, то воно набуває вигляду тонованого і його можна вставити у вікно будинку або теплицю.

Контролер заряду для сонячних батарей

У прямого підключення панелі до акумулятора є недоліки:

• Акумулятор з номінальною напругою 12 В заряджатиметься тільки при досягненні напруги на виході фотоелементів 14,4 В, що близько до максимального. Це означає, що частина часу батареї заряджатися не будуть.
• Максимальна напруга фотоелементів - 18 В. При такій напрузі струм заряду акумуляторів буде занадто великим, і вони швидко вийдуть з ладу.

Для того щоб уникнути цих проблем необхідна установка контролера заряду. Найпоширенішими конструкціями є ШІМ і МРРТ.

ШІМ-контролер заряду

Робота ШІМ-контролера (широтно-імпульсна модуляція - англ. Pulse-width modulation - PWM) підтримує постійну напругу на виході. Це забезпечує максимальну ступінь заряду акумулятора і його захист від перегріву при зарядці.

МРРТ-контролер заряду

МРРТ-контролер (Maximum power point tracker - стеження за точкою максимальної потужності) забезпечує таке значення вихідної напруги і струму, яке дозволяє максимально використовувати потенціал сонячної батареї незалежно від яскравості сонячного світла. При зниженій яскравості світла він піднімає вихідну напругу до рівня, необхідного для зарядки акумуляторів.

Така система є у всіх сучасних инверторах і контролерах зарядки

Види акумуляторів, що використовуються в батареях

Різні види акумуляторів, які можна використовувати для сонячної батареї

Акумулятори - важливий елемент системи цілодобового електропостачання будинку сонячною енергією.

У таких пристроях використовуються наступні види акумуляторів:

• стартерні;
• гелеві;
• AGM батареї;
• заливні (OPZS) і герметичні (OPZV) акумулятори.

Акумуляторів жодного іншого типу, наприклад, лужні або літієві дорогі і використовуються дуже рідко.

Всі ці види пристроїв повинні працювати при температурі від +15 до +30 градусів.

стартерні акумулятори

Найпоширеніший тип акумуляторів. Вони дешеві, але мають великий струмом саморозряду. Тому через кілька похмурих днів батареї розрядяться навіть при відсутності навантаження.

Недоліком таких пристроїв є те, що при роботі відбувається газовиділення. Тому їх необхідно встановлювати в нежитловому, добре провітрюваному приміщенні.

Крім того, термін служби таких акумуляторів до 1,5 років, особливо при багаторазових циклах заряд-розряд. Тому в довгостроковій перспективі ці пристрої виявляться найдорожчими.

гелеві акумулятори

Гелеві акумулятори -вироби, які не потребують обслуговування. При роботі відсутня газовиділення, тому їх можна встановлювати в житловій кімнаті і приміщенні без вентиляції.

Такі пристрої забезпечують великий вихідний струм, мають високу ємність і низький струм саморозряду.

Недолік таких приладів у високій ціні і невеликому терміні служби.

AGM батареї

Ці батареї мають невеликий термін служби, однак, у них є багато переваг:

• відсутність газовиділення при роботі;
• невеликими розмірами;
• великою кількістю (близько 600) циклів заряду-розряду;
• швидким (до 8 годин) зарядом;
• хорошою роботою при неповному заряді.

AGM батарея зсередини

Заливні (OPZS) і герметичні (OPZV) акумулятори

Такі пристрої є найнадійнішими і мають найбільший термін служби. Вони володіють низьким струмом саморозряду і високою енергоємністю.

Ці якості роблять такі прилади найбільш популярними для установки в фотоелементних системах.

Як визначити розмір і кількість фотоелементів?

Необхідні розмір і кількість фотоелементів залежить від напруги, сили струму і потужності, які потрібно отримати від батареї. Напруга одного елемента в сонячний день дорівнює 0,5 В. При хмарності воно набагато нижче. Тому для зарядки акумуляторів 12 В, з'єднуються послідовно 36 фотоелементів. Відповідно, для акумуляторів 24 В необхідно 72 елемента і так далі. Загальна їх кількість залежить від площі одного елемента і необхідної потужності.

Один квадратний метр площі батареї, з урахуванням ККД, може видати приблизно 150 Вт. Точніше можна визначити по метеорологічним довідників, що показує кількість сонячної радіації в місці установки геліооелектростанціі або в інтернеті. ККД пристрою наведено в паспорті.

При виготовленні фотоелектростаціі своїми руками необхідну кількість елементів визначається по потужності одного елемента в даному кліматі з урахуванням ККД.

Розрахунок кількості сонячних батарей виходить з необхідного електрики до змісту ↑

Ефективність сонячних батарей взимку

Незважаючи на те що взимку сонце піднімається нижче, потік світла зменшується незначно, особливо після випадання снігу.

Основних причин, за якими сонячні елементи взимку менш ефективні три:

• Змінюється кут падіння променів. Для того щоб зберігати потужність, кут нахилу батареї необхідно міняти хоча б раз в сезон, а краще щомісяця.
• Сніг, особливо вологий, налипає на поверхню пристрою. Його необхідно прибирати відразу після випадання.
• Взимку менше тривалість світлого часу доби, а також більше похмурих днів. Змінити це неможливо, тому доводиться розраховувати потужність батареї по зимовому мінімуму.

Правила установки

Максимальна потужність панелі досягається в положенні, при якому сонячні промені падають перпендикулярно. Це необхідно враховувати при установці. Важливо також врахувати, в який час доби мінімальна хмарність. Якщо кут нахилу даху і її положення не відповідають вимогам, то воно виправляється регулюванням підстави.

Між батареєю і дахом повинен бути повітряний зазор 15-20 сантиметрів. Це необхідно для протікання дощу і запобігання від перегріву.

Фотоелементи погано працюють в тіні, тому слід уникати розташовувати їх в тіні від будівель і дерев.

Електростанції з сонячних фотоелементів - це перспективний екологічно чисте джерело енергії. Їх широке застосування дозволить вирішити проблеми з нестачею енергії, забрудненням навколишнього середовища і парниковим ефектом.