Устройство и работа солнечной батареи

Принцип работы солнечной батареи основан на фотоэлектрическом эффекте, вне зависимости от ее разновидности и устройства.

Характеристика устройств

Ученым удалось обнаружить природные вещества, в которых происходит преобразование света в электроэнергию. Этот процесс они стали называть фотоэлектрическим эффектом. Впоследствии им удалось научиться управлять этим явлением. Потом благодаря полупроводниковым материалам они смогли создать небольшие эффективные приборы – фотоэлементы.

После этого было налажено производство миниатюрных преобразователей и эффективных гелиопанелей. КПД кремниевых панелей составляет 18–22%.

Устройство солнечного модуля

Из данных модулей собирают солнечные батареи, преобразующие фотоны солнечной энергии в постоянный ток, накапливающийся в аккумуляторах или трансформирующийся в переменный ток напряжением 220 V, необходимый для питания многих бытовых и промышленных электроприборов.

Такие источники питания незаменимы для удаленных районов, где нет централизованного электроснабжения или часто случаются перебои с электричеством. Кроме того, они позволяют экономить затраты на электроснабжение в быту и в некоторых отраслях промышленности.

Разновидность солнечных батарей

В зависимости от материала изготовления и способа производства, солнечные батареи подразделяют на кремниевые и плёночные.

Кремневые элементы – это устройства, сделанные из кремния, так как этот химический элемент обладает повышенной производительностью, поэтому на него сейчас огромный спрос на мировом рынке. По структуре их подразделяют на три подтипа.

Монокристаллические батареи

Это солнечные батареи состоят из силиконовых ячеек, соединенных между собой. Их удается создавать только из чистейшего кремния, который добывают с помощью выращивания кристаллов. Когда монокристалл становится твёрдым, его делят на тончайшие пластинки, которые соединяют между собой с помощью сетки из металлических электродов. Такая технология изготовления очень дорогая и трудоемкая, поэтому её используют меньше, хотя у монокристаллических батарей высокий КПД, около 22%.

Монокристаллические солнечные батареи

Поликристаллические батареи

Это солнечные батареи состоят из поликристаллов, полученных благодаря постепенному охлаждению сплава кремния. Данная технология изготовления обходится дешевле. Но в этом случае понижается КПД на 4–5%. Это характеризуется тем, что в поликристаллах образуются зоны с зернистыми границами, именно они понижают эффективность поликристаллических батарей.

Устройство поликристаллической батареи

Аморфные батареи

Это солнечные батареи делают из кремневодорода или силана. У аморфных батарей маленький КПД, порядка 5%, но они обладают многими достоинствами:

• гибкие;
• эффективно работают в пасмурную погоду;
• очень тонкие (1 мкм).

Плёночные батареи подразделяются на несколько видов:

• на основе теллурида кадмия;
• на основе сплава меди, индия и селена, их КПД достигает 16–20%;
• полимерные фотоэлементы из органики, у которых КПД небольшой 5–6%.

Аморфная солнечная батарея — устройство

Принцип работы

На отрицательно заряженную панель воздействует солнечный свет, при этом образуется еще множество отрицательных зарядов и «пустот». Электрическое поле, присутствующее в p-n переходе, разделяет положительные и отрицательны частицы. При этом положительные переходят в верхний слой, а отрицательные в нижний. Это приводит к разности потенциалов, в результате возникает постоянное напряжение. Поэтому становится ясно, что каждый фотопреобразователь действует как батарейка. И если к нему подключить нагрузку, в цепи возникнет ток. При этом его сила зависит от следующего:

• степень инсоляции;
• габариты фотопреобразователя;
• вид фотоэлемента;
• полное сопротивление подключенных электроприборов.

Схема работы солнечного электроснабжения

Когда рассматривается схема солнечной батареи, то становятся заметны в ней загадочные наименования узлов. Но на первый взгляд, схема электрической цепи и устройство батареи выглядят просто.

Солнечные модули – это основные элементы солнечной батареи. Эти прямоугольные солнечные панели собирают из определенного количества фотоэлементов. Изготавливают фотопанели разные по мощности и напряжению, кратному 12V.

Панели плоской формы хорошо ложатся на поверхностях. Модульные блоки соединяются с помощью взаимосвязанных подключений в гелиобатарею. Главная цель устройства – это трансформация энергии света в постоянный ток необходимой величины.

Схема соединения солнечных батарей

Аккумуляторы – это устройства, накапливающие электричество. Когда потребители подключены к электрической сети, энергонакопители сохраняют в себе излишки электроэнергии.Аккумуляторный блок питает сеть нужным объемом энергии и в то же время поддерживает в ней стабильное напряжение, после возрастания величины потребления до высоких значений. Это бывает ночью и в пасмурную погоду, когда не работают солнечные панели.

Контроллер является посредником между солнечным модулем и аккумуляторами. Он корректирует степень заряженности батарей и защищает их от выкипания, что может произойти от перезарядки или уменьшения электрического потенциала ниже приделов, требуемых для стабильного функционирования системы.

Инвертор – это узел, который выполняет функцию трансформации постоянного тока солнечных панелей и аккумуляторов в переменный ток напряжением 220V. Именно это напряжение требуется для большинства бытовых и промышленных электроприборов.

Принцип работы солнечной батареи

Пример устройства

Основной смысл подключения солнечных источников электропитания в точном определении нагрузки и правильной настройке контролёра заряда. Самая примитивная схема представлена в устройстве садового фонаря. Эти фонари сегодня становятся очень популярными за счёт яркого освещения. Конечно, зимой свет фонарей, питающихся с помощью фотоэлектрического эффекта солнечной энергией, не такой яркий. В этом случае в схему входит фотоэлемент, накопительный аккумулятор и лампа.

Видео по теме: Солнечная батарея (как устроена)