Солнечная батарея — устройство и принцип работы

Солнечные батареи – эффективный и экологически чистый источник электроэнергии. В последние лет 20 эта технология стала особо популярной по всему миру, и многие задумываются о переходе на доступную возобновляемую энергию. Принцип работы устройства сводится к тому, что оно преобразует энергию световых лучей в электрический ток. А само электричество необходимо для работы бытовых приборов и оборудования. Правительства многих стран спонсируют «зеленые проекты», особенно это актуально в связи с климатическими изменениями. Есть города, которые целиком питаются энергией, полученной от солнца. В России также востребованы солнечные батареи для дома – как альтернатива централизованному энергоснабжению.

Что такое солнечные батареи

Солнечная энергетика – довольно запутанная тематика, в которой новичку будет сложно разобраться. Нет смысла брать себе оборудование для получения «солнечного» тока, пока не разберешься во всех нюансах.

Не зная принцип действия, легко ошибиться. Панель необходимо правильно выбрать, иначе есть вероятность, что она сгорит или будет выдавать незначительные объемы энергии.

Есть несколько видов оборудования для гелиоэнергетики. Солнечные батареи для частного дома и коллекторы – это разные вещи, при этом оба устройства используются для преобразования энергии лучей солнца.

В случае с батареей – потребитель получает электроэнергию. С коллектором – тепловую, в виде разогретого теплоносителя для загородного дома, то есть для отопления.

Другой нюанс, что вообще понимается под термином «солнечная батарея». Когда речь идет о батареях, на ум приходит аккумулятор – устройство, аккумулирующее энергию. Или вообще радиатор. С гелиобатареями все иначе – они ничего не накапливают.

Солнечные батареи генерируют электрический ток. Он копится ночью, когда садится солнце, причем в аккумуляторах, которые предусматривает схема энергообеспечения. «Батареей» называют однотипные компоненты, собранные в единое целое. По сути, это панель из фотоэлементов.

Устройство

Солнечной батареей называется система полупроводниковых устройств – фотоэлектрических преобразователей, преобразующих энергию солнца в постоянный ток. В схеме работы задействован принцип фотоэффекта.

Состоит солнечная батарея из таких элементов:

• материал-полупроводник, включающий в себя два слоя материалов, имеющих разную проводимость. Например, это поликристаллический или монокристаллический кремний, куда включены иные химические соединения с целью создания фотоэффекта p-n перехода. Получается, в одном материале электронов мало, в другом – в избытке;
• диэлектрик. Наносится тонким слоем с той целью, чтобы электроны не переходили далее;
• источник электропитания. Если его подключить к противостоящему слою, электроны легко преодолеют запорную зону. Как результат – образуется движение заряженных частиц;
• аккумулятор. Задача этого элемента – накапливать и сохранять энергию;
• контроллер заряда. Посредник между солнечным модулем и АКБ. Он отслеживает уровень заряда аккумулятора – не дает закипеть или снизиться электрическому потенциалу;
• инвертор-преобразователь. Преобразует постоянный ток от солнечной батареи в переменный 220 – 230 В;
• стабилизатор напряжения. Поддерживает напряжение, необходимое для работы всей системы.

Информация о том, как устроена солнечная батарея – это пол дела. Прежде чем выбирать и монтировать систему, не лишним будет разобраться, как она работает.

Принцип работы

Первый прототип солнечной батареи применялся дачниками еще в прошлом столетии – летний душ. Брали емкость, например, ванну, окрашивали ее в черный, и заполняли водой. В течение дня вода грелась, а вечером дачник принимал теплый душ.

Панели обычно ставят на крышах, и они преобразуют 90% солнечного излучения в энергию следующим образом:

1. Солнечный свет (фотоны) падает на поверхность панели.
2. Сталкиваясь с поверхностью полупроводника, фотоны отдают энергию его электронам.
3. Электроны, заряженные дополнительной энергией, в следствие удара выбиваются из полупроводника и выходят за защитный слой.
4. Отрицательно заряженные электроны идут к n-проводнику из p-проводника, а положительные – обратно. Чтобы переход произошел, в проводниках есть электрические поля, которые впоследствии повышают разность и силу зарядов.

Когда панель, на которую светит солнце, замкнута на конкретную нагрузку с сопротивлением, появляется электрический ток. На силу тока влияет сопротивление нагрузки, интенсивность освещения и качество фотоэлектрического преобразователя.

Области использования

Солнечная энергетика применяется в разных отраслях жизнедеятельности человека:

• автомобилестроении;
• в промышленных объектах;
• в сельском хозяйстве;
• на военно-космических объектах;
• в бытовых нуждах.

Один из первых приборов, где была задействована солнечная батарея – калькулятор, работающий, когда на его фотоэлемент попадали лучи солнца. Сейчас панели встречаются повсеместно: в фонариках, плеерах, наручных часах, смартфонах и других устройствах, где требуется подзарядка аккумуляторов.

Преимущества и недостатки

Солнечные батареи доступны всем желающим, и они характерны следующими плюсами:

• энергоэффективность. Все зависит от состава солнечной батареи, но в среднем КПД находится в пределах 14 – 30%;
• востребованы для установки на дачных участках. Во-первых, дачи обычно находятся вдали от города, где зачастую отсутствуют централизованные источники энергоснабжения. Во-вторых, летом начинается дачный сезон, и энергия, полученная от солнца, как нельзя кстати;
• систему можно дополнить новыми панелями с целью повышения мощности;
• экономия энергии, особенно если солнечные батареи используются для ГВС;
• выгода – надо один раз потратиться, чтобы получить возобновляемый источник энергии, не требующий дополнительных трат на обслуживание;
• экологический источник энергии. В нынешних климатических условиях это важный аспект, так как энергоносители планеты не бесконечны;
• надежность. Конечно, здесь многое зависит от того, насколько грамотно был выполнен монтаж, а также от модели панелей. В сети есть немало рейтингов, где описаны плюсы и минусы изделий разных производителей.

Единственный недостаток солнечных панелей – они актуальны для использования в регионах, где преимущественно солнечно, а таких в России не так много.

Что до окупаемости, система, построенная на солнечных батареях, окупится за 3 – 4 года для частного дома, в котором живет семья из 5 – 7 человек (при переходе с электричества или дизеля). Если переходить с газа, срок окупаемости – 8 – 10 лет.

Особенности эксплуатации

В облачную погоду, когда солнечного света мало, аккумуляторная батарея заряжается не так интенсивно. В то же время она отдает электроэнергию потребителю – работает в режиме зарядки и разряда. Контролирует этот процесс контроллер.

Обслуживание и серьезные профилактические работы батареям не требуются – достаточно время от времени протирать их от пыли.

Панели актуальны и зимой, правда на этот период их производительность падает в 1.5 – 2 раза. Панели ставят под наклоном в 70°, чтобы на них не задерживался снег.

Солнечные батареи – оптимальный выбор для автономных систем, где много потребителей электроэнергии, не работающих в постоянном режиме. Солнечная энергетика, как отрасль, бурно развивается, и есть вероятность, что в будущем энергия солнца станет основной для человека.