Как устроены и работают солнечные панели

В последнее время солнечная энергия все чаще рассматривается как полноценная альтернатива традиционной. Солнечные батареи уже не кажутся большой редкостью, но это не значит, что мы до конца понимаем, как ни работают. Поскольку в перспективе возможен полный переход на природную энергетику, предлагаю разобраться, с чем человечеству предстоит иметь дело. Собрать и установить солнечные батареи (или, по-научному, фотоэлектрические панели) сегодня может каждый, кто имеет финансовую возможность для их приобретения. Стоимость оборудования довольно высокая. Но начальные затраты с лихвой компенсируются возможностью пользоваться бесплатной электроэнергией, получаемой из экологически чистого источника. К тому же, сейчас наблюдается стабильное снижение цен на батареи, а значит, все больше людей сможет ими воспользоваться.

Высокая стоимость источника объясняется дороговизной кремния, из которого производят панели. Он может быть моно- и поликристаллическим. В первом случае максимальный КПД составляет 24%, во втором — 18%. Технология производства и цена также отличаются. Более дешевые поликристаллические изделия эффективней в облачную погоду, а в жару их продуктивность снижается больше, чем у монокристаллических аналогов.

История возникновения

Принцип был открыт Александром Беккерелем в 1839 году. В ходе эксперимента с электролитами ученый обнаружил, что под воздействием света частицы производят незначительное количество тока. Такой эффект получил название фотоэлектрического и подтолкнул к дальнейшим исследованиям в области фотогальваники. Это был первый случай прямого преобразования света в электричество, который был задокументирован. Однако потребовалось более трех десятилетий, чтобы появились первые полупроводники. Именно этот период считается стартом работы над прототипом современных электростанций.

Однако потребовалось более трех десятилетий, чтобы история получила продолжение. В 1873 году двое британский ученый Уиллоуби Смит выявил, что под воздействием света селен изменяет электропроводность. Эффект фотопроводимости селена лег в основу фотоэлектрических ячеек, которые впоследствии были применены в первых телевизионных системах. В 1883 году американец Чарльз Фриттс изготовил из селена пластины и покрыл их золотом. Это и была первая солнечная батарея с минимальным КПД — 1,5%. Следующий огромный шаг в создании солнечных панелей был сделан аж 70 лет спустя, когда был найден более доступный материал с аналогичными свойствами — кремний, который повысил эффективность установок до 6%. В 1956 году панели вышли на коммерческий рынок и нашли первых покупателей. Почин принадлежал компании Western Electric. В частности, гелиопанели были установлены на крыше Белого дома.

В 70-е годы прошлого столетия на фоне скачка цен на нефть начинается работа над созданием более рентабельных панелей. В 80-е активно шла работа над созданием гелиоэлектростанций, которые предполагали преобразование солнечной энергии в тепло. В 1994 возникли батареи с КПД в пять раз выше, чем у своих предшественниц (30%). В прошлом десятилетии при производстве солнечных батарей начали использоваться фотоэлектрические пленки, напечатанные на принтере, эффективность которых составляла 20%. Это позволило значительно расширить сферу их применения, а в перспективе они должны полностью вытеснить дорогие и громоздкие кремниевые модули.

Основные показатели и от чего они зависят

Мощность установки зависит от напряжения и объема выходного тока, которые обуславливают два параметра: интенсивность света, падающего на поверхность батареи, и принимающая площадь. Чем меньше света получает солнечный элемент, тем ниже показатели. То есть в пасмурную погоду энергии он произведет меньше.

При наличии в цепи нагрузки, появляется еще один показатель, влияющий на объем тока, — ее сопротивление (Rн). Мощность, вырабатываемая в нагрузке (Рн), рассчитывается по формуле: P=UI, где I — величина тока, U — напряжение на зажимах.

Максимальные КПД и мощность можно получить при некоей оптимальной величине сопротивления — Rопт. Значение индивидуально для каждого конкретного преобразователя и также зависит качества и параметров принимающей поверхности и уровня освещенности.

Устройство солнечной панели

Традиционно установка состоит их нескольких частей:

• Солнечной панели, которая генерирует постоянный ток.
• Аккумулятора, снабженного контроллером заряда.
• Инвертора для преобразования постоянного тока в переменный.

Солнечная панель

Панель собирают из параллельно-последовательно соединенных между собой солнечных элементов. Последовательное соединение призвано увеличивать напряжение на выходе, параллельное — ток. Комбинированный тип соединения позволяет увеличить оба показателя и повысить надежность функционирования системы, поскольку поломка одного элемента не выведет из строя всю цепь. Когда на те или иные элементы не попадают солнечные лучи, пропадает их электродвижущая сила (ЭДС), активное сопротивление возрастает. Они начинают потреблять ток, разряжая аккумуляторы, что приводит к перегреву и сбою в работе.

Для того чтобы этого избежать, элементы шунтируют диодами, которые заперты ЭДС ячейки при нормальном освещении и открыты при ее исчезновении. В последнем случае весь ток идет мимо затемненного элемента. Нет тока — нет перегрева и последующей поломки. Как правило, устанавливают четыре диода — на каждую четвертую часть панели.

Аккумулятор

Является химическим источником тока — электроэнергия в нем образуется за счет протекающих химических реакций. Она накапливается и перенаправляется в нагрузку. Наиболее востребованы гелевые и свинцовые батареи с простой установкой и минимальными требованиями к обслуживанию. При глубине разряда до 20% они могут прослужить вам до 12 лет. Устройство заряжается при условии, что подходящее к нему рабочее напряжение превышает его собственное, а величины зарядного тока достаточно. Простыми словами — число фотоэлементов в солнечной батарее должно соответствовать объему аккумулятора. К примеру, если он составляет 12 В, для корректной зарядки потребуется 36 элементов.

Если света недостаточно, заряд аккумулятора снижается, тогда энергия передается в электроприемник. Работу батареи в режиме заряд/разряд контролирует специальное устройство (контроллер), через которое аккумулятор подсоединяется к солнечной панели. Он, в частности, переключает аккумулятор на меньшую скорость зарядки после того, как заряд достиг 90% ее исходной емкости. Избыточную энергию поглощает резистор, который подключается при полной зарядке батареи.

Инверторы

Преобразуют постоянный ток, продуцируемый солнечными батареями, в переменный. Именно на нем работает большинство бытовых приборов, техники, производственного оборудования. В зависимости от типа электростанции, в которой используются, такие преобразователи бывают следующих видов:

• Автономные. Применяются при отсутствии подключения к централизованному энергоснабжению.
• Сетевые. Востребованы в тех случаях, когда станции работают совместно с централизованными сетями, а электроэнергия идет в общую сеть (зеленый тариф). Наряду с преобразованием постоянного тока в переменный, устройство регулирует в этой сети напряжение.
• Гибридные. Совмещают характеристики предыдущих устройств и имеют настройки, подходящие как для автономных, так и для сетевых станций.

По типу выходящего сигнала инверторы делятся на синусоидальные и квазисинусоидальные. Первые дороже, но подходят для оборудования с любым показателем переменного тока, от насосов до трансформаторов. Вторые имеют некоторые ограничения по нагрузке. Более низкая цена обусловлена более высокими потерями. Отсутствие преобразователя сужает возможности использования станции. Батарея без инвертора может питать технику, которая работает на постоянном напряжении, например, энергосберегающие лампочки или портативные устройства.

Преимущества, недостатки панелей

Солнечные батареи обладают целым рядом достоинств, которые трудно оспорить:

• Использование панелей не нанесет вреда окружающей среде, что особенно важно на фоне растущего производства и активного использования исчерпаемых ресурсов.
• Окупить установку можно в короткие сроки за счет перехода на полностью бесплатный источник энергии. В свете постоянно растущей стоимости электроэнергии это весьма рациональное решение.
• Такие станции просты в эксплуатации и не требуют частого обслуживания. Главное — контролировать исправность всех элементов.
• Смонтировать установку можно в срок от нескольких часов до нескольких дней — в зависимости от ее параметров. Можно утверждать, что монтаж занимает даже меньше времени, чем процесс подбора и покупки оборудования.

Ключевым недостатком фотоэлектрических панелей можно назвать высокую цену. Но современное производство нацелено на ее снижение, а пользование бесплатной энергией на протяжении многих лет полностью компенсирует начальные расходы.

Если ищите мужские часы, посмотрите подборку на эту тему — Выбираем брендовые мужские часы: 10 моделей наручных часов до 5000 рублей. И вот еще одна есть — Готовимся к холодам: 10 носков для прогулок с защитой от воды.