Что такое солнечные батареи и как они использкются

Солнце за одну секунду вырабатывает столько энергии, сколько человек не смог получить за всю свою историю. Это гигантский термоядерный реактор. И запасов его топлива хватит примерно на пять миллиардов лет. Человек покорил солнечную энергию и научился превращать ее в электрическую. Это стало возможным с помощью солнечных батарей.

Что же представляет собой солнечная батарея и как она превращает солнечный свет в электричество? Основа такой батареи – кремний. В природе этот минерал встречается лишь в виде песка, но вполне возможно вырастить кремний искусственно, в виде кристалла. Затем ему придают кубическую форму и режут на пластины – фотоэлементы – толщиной 180 микрон (примерно три человеческих волоса). На эту пластину наносят небольшие количества бора и фосфора. В слое с добавками фосфора возникают свободные электроны (n-тип), а в слое с бором – отсутствующие электроны – «дырки» (р-тип).

Когда квант света попадает на пластину, в ней начинается движение частиц из одного слоя в другой, то есть возникает электрический ток. При направленном солнечном свете электричество собирается в каждой точке кремниевой пластины, а затем выводится при помощи специальных дорожек – проводников. Когда фотоэлементы соединяются – мощность батареи увеличивается. Соединение происходит при помощи полосок специально обработанной меди.

Очень важно отметить, что это соединение является последовательно-параллельным. Это делается для того, чтобы на выходе получить более высокие напряжение, мощность и ток. К тому же, при неисправности одного из фотоэлементов, работа солнечной батареи не прекращается, а значит вся конструкция надежна и долговечна.

kartinka-2

 

Солнечные батареи можно условно разделить на две группы: пленочные и кремниевые. Первые, в свою очередь, бывают на основе теллурида кадмия, селенида меди-индия или полимерные. А вторые подразделяют на монокристаллические, поликристаллические и аморфные. Рассмотрим их детальнее.

Кремниевые батареи – самые популярные батареи на сегодняшний день, поскольку этот элемент не является дефицитным, относительно дешево стоит и дает неплохие показатели КПД. Монокристаллические солнечные панели – это фактически набор силиконовых ячеек, объединенных между собой. Монокристалл высочайшей чистоты после затвердевания разрезают на пластины, и пронизывают множеством металлических электродов. Плюсом таких панелей является относительно высокий КПД – 18-22%, минусом – дорогостоящая технология производства и, как результат, высокая цена.

Для производства поликристаллов кремния используется менее дорогая технология, поэтому и кремний, полученный таким способом, дешевле. Однако, поликристаллические батареи имеют КПД всего лишь 12-18%. Это обусловлено образованием внутри кристаллов областей с зернами разной направленности, что является следствием медленного охлаждения расплавленного кремния в процессе производства. При изготовлении аморфных панелей используется соединение кремния – кремне водород или силан. Его тонким слоем наносят на поверхность подложки, и в результате получают гибкие батареи с показателем поглощения в десятки раз выше, чем у поли- и монокристаллов. Толщина таких панелей не более 1 мкм, однако КПД едва достигает 5-6%.

Места применения солнечных батарей увеличиваются с каждым годом. Они входят в состав автономных систем, которые обычно используют там, где нет возможности подключиться к централизованной сети. Резервные и комбинированные системы также используют солнечные батареи. Рассмотрим их более детально.

Свет падает на солнечные панели не постоянно – есть пасмурные дни и ночное время, поэтому все, что вырабатывают панели, накапливается про запас. Для этого существуют аккумуляторы, разрядкой и зарядкой которых ведает контроллер. Ток от панели вначале заряжает аккумуляторы, но этот ток постоянный, а бытовым приборам нужен переменный, поэтому в цепочке есть еще один необходимый блок – инвертор. Он преобразует постоянный ток в переменный, которым мы и пользуемся. Всю эту систему обычно называют автономной солнечной батареей, хотя правильнее ее называть солнечной электростанцией.

kartinka-3

Резервные системы энергоснабжения состоят из солнечных батарей. Они подключаются к сети и выполняют функцию альтернативного источника питания. Когда основная сеть дает сбой, а также в светлое время суток, включается резервная система и обеспечивает бесперебойную работу всех приборов. При необходимости можно принудительно отключить централизованную сеть и запустить резервную систему.

kartinka-4

Комбинированные системы питания, кроме контроллера заряда, аккумуляторов иинвертора, имеют в своей цепочке сразу несколько генераторов электроэнергии:солнечные панели, ветроустановку и так называемый резервный или дизель-генератор. В ясный погожий день работает солнечная батарея, при наличии ветра – включается ветрогенератор. Если возобновляемые источники энергии не дают необходимой мощности, запускается дизель-генератор и, таким образом, вы всегда получаете электричество в нужном количестве. Преимущество гибридных систем питания в надежности, экономичности, безопасности для окружающей среды и относительно тихой работе.

kartinka-5

Еще одним типом потребителей солнечных батарей являются мобильные и малые потребители. Компактные установки нужны в поездках, на отдыхе, в загородном доме, где люди бывают лишь время от времени. Малая солнечная электростанция отлично подойдет для подзарядки телефона и ноутбука, работы телевизора, электрочайника, освещения помещений.

kartinka-6

Солнечные батареи также входят в состав систем, которые могут генерировать выработанную энергию непосредственно в централизованную сеть. Эти системы выгодно применять там, где работает так называемый «Зеленый Тариф», то есть механизм, когда энергоснабжающие компании выкупают у частных лиц избыточную электроэнергию, производимую солнечными батареями или другими возобновляемыми источниками энергии.

kartinka_7-1

Система сброса электроэнергии в общую сеть по «Зеленому Тарифу» – это:

солнечные панели (тут генерируется электроэнергия);

— поддерживающие конструкции (для правильной и надежной установки солнечных модулей);

сетевой инвертор (переводит постоянный ток в переменный и сбрасывает выработанную электроэнергию в сеть).

Преимущества такой системы в бесшумности, надежности и долговечности, она требует минимального обслуживания и является экологически безопасной. Мощность этих систем можно увеличивать в зависимости от нужд потребителя.