Как работает солнечная батарея: устройство и принцип действия

Установление солнечной панели состоит из нескольких фотоэлектрических конвертеров, которые преобразуют энергию солнца в электричество. Такой источник электроэнергии представляет собой выгодный вариант по сравнению с традиционными и может значительно экономить затраты на приобретение энергоресурсов.

Схема подключения солнечной электроустановки.

Содержание:

• Устройство солнечной батереи
• Выбор аккумулятора
• Оптимизация работы радиатора

Современные технические возможности позволяют практически каждому установить фотоэлектрические панели или солнечные батареи. Сначала нужно разобраться, как работает солнечная батарея.

Подобное оборудование является достаточно дорогим, но в дальнейшем вы сможете получать электроэнергию совершено бесплатно, что окупает его стоимость. Тем более, что за последние годы стоимость солнечных батарей существенно уменьшилась. Неоспоримым преимуществом солнечной батареи является то, что подобный источник энергии является экологически чистым.

Устройство солнечной батереи

Схема работы солнечных батарей.

Данное устройство состоит из следующих элементов:

• генератор постоянного тока (непосредственно солнечная батарея);
• аккумулятор, оснащенный устройством контроля заряда;
• инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный.

В свою очередь, солнечная батарея состоит из фотоэлектрических преобразователей. Большинство элементов устройства изготавливается из кремния, который является весьма дорогостоящим материалом.

Существует 2 вида таких элементов, как фотоэлектрические преобразователи: изготовленные из монокристаллического кремния и из поликристаллического кремния. Принцип действия этих двух видов устройства один и тот же, их отличие в том, каким способом они изготавливаются и какой КПД дают: первый вид — до 17,5%, второй — до 15%.

Основная техническая характеристика солнечной батареи — ее полезная мощность. Именно этот параметр определяет экономичность и выгодность установки. Полезная мощность определяется исходя из напряжения и выходного тока, а эти данные, в свою очередь, зависят от того, насколько интенсивный солнечный свет попадает на батарею. Естественно, что зимой интенсивность солнечного света меньше, то есть и полезная мощность батареи зимой уменьшается.

Величина выходного тока определяется не только интенсивностью солнечного излучения, которое попадает на фотоэлектрические элементы, но и размерами этих элементов. В пасмурную погоду резко снижаются такие показатели, как отдаваемая мощность и зарядный ток, снижение этих показателей обусловлено уменьшением отдаваемого тока.

Схема элементов солнечной батареи.

Если батарея замкнута на некоторую нагрузку с сопротивлением, то в такой электрической цепи появляется ток. Его величина зависит от качества фотоэлектрического преобразователя, интенсивности излучения и сопротивления нагрузки. Мощность, выделение которой происходит в нагрузке, будет равна произведению величины тока на величину напряжения, которое образуется на зажимах батареи.

Максимального значения выделяемая в нагрузке мощность достигает при так называемом оптимальном значении сопротивления. Оптимальное сопротивление — сопротивление, соответствующее максимальному КПД преобразования энергии солнечного света в электрическую. Каждое устройство имеет свое оптимальное сопротивление, значение которого зависит от качества элементов батареи, их размера и интенсивности освещения.

Устройство батареи включает в себя отдельные элементы, которые необходимо последовательно и параллельно соединить, что позволит улучшить выходные параметры (мощность, напряжение и ток). Последовательное соединение позволит увеличить выходное напряжение, а параллельное — выходной ток. Как правило, на практике применяют комбинированный способ соединения элементов, после чего повышаются значения и тока, и напряжения. Преимущество комбинированного способа соединения еще и в том, что он позволяет повысить надежность всего устройства, так как в этом случае выход из строя одного элемента не повлечет за собой его полную поломку.

Чтобы обеспечить надежность солнечной батареи, ее элементы необходимо шунтировать диодами. Каждый элемент шунтируется 4 диодами. Диоды предотвращают поломки тех частей батареи, которые на некоторое время оказываются затемненными. В такой ситуации радиатор генерирует выходную мощность на четверть меньше обычной. Если диоды будут отсутствовать, то солнечные элементы будут выходить из строя из-за перегрева, так как во время затемнения они потребляют ток. Благодаря диодам ток через них проходить не будет. Необходимо использовать низкоомные диоды, на которых уменьшается падение напряжения. Оптимально для этого подойдут диоды Шоттки.

Вернуться к оглавлению

Выбор аккумулятора

Схема устройства солнечного радиатора.

Радиатор отдает электроэнергию в аккумулятор, где она накапливается и отдается в нагрузку по мере необходимости. Количество элементов батареи определяется типом аккумулятора. Это связано с тем, что заряд аккумулятора возможен только при условии приложения к нему потенциала, большего напряжения аккумулятора. Именно число элементов определяет, какое рабочее напряжение подводится к аккумулятору. Аккумуляторный радиатор работает таким образом, что в нем постоянно осуществляются процессы разрядки и подзарядки. Подобный принцип действия требует наличия специального контролирующего устройства, которое производит переключения на большую или меньшую скорость заряда в зависимости от того, какая емкость заряда аккумулятора заполнена.

Наиболее эффективными являются специализированные аккумуляторы — гелевые и свинцовые. Последние изготавливаются по AGM-технологии, а в первых в качестве электролита используется серная кислота. Подобные аккумуляторы не требуют специального обслуживания, а их установка не доставит вам особых хлопот. Срок их эксплуатации составляет 10-12 лет при условии, что их заряд не будет снижаться менее, чем до 20%, в противном случае срок их службы значительно сократится. Если заряд батареи достигает 100%, в работу вступает резистор, который поглощает избыток мощности.

Вернуться к оглавлению

Оптимизация работы радиатора

Вместе с солнечной батареей удобно использовать специальное устройство — инвертер, принцип действия которого заключается в преобразовании постоянного напряжения, поступающего от аккумуляторной батареи, в переменное, которое используется для питания множества электроприемников. Отказ от инвертера приведет к тому, что от полученной посредством солнечного радиатора энергии вы сможете питать только те электроприемники, которые могут работать на постоянном напряжении.

Оптимизировать работу солнечной батареи вам поможет поворотное устройство, которое будет менять положения поверхности солнечных элементов таким образом, чтобы радиатор принимал максимальное количество излучений. Поворотное устройство может быть одного из двух типов: запрограммированное на время или реагирующее на источник света.

Оба вида имеют как свои достоинства, так и недостатки. Принцип действия первого типа заключается в том, что радиатор осуществляет поворот на определенный угол через определенный отрезок времени. Недостаток данного механизма в том, что зимой и летом в одно и тоже время солнце будет находится в разных точках, поэтому в различное время года фотоэлектрические элементы будут иметь одинаковое положение в одно и то же время.

Поворотное устройство второго типа работает самостоятельно, реагирует на источник света и разворачивает радиатор к нему. Однако подобный механизм может повернуть радиатор не в сторону солнца, а к какому-либо другому источнику света. Например, к поверхности, отражающей солнечный свет.

Таким образом, обеспечить себя альтернативным источником электрической энергии, которая к тому же будет абсолютно бесплатной, по силам каждому. И хотя солнечная батарея — недешевое удовольствие, окупается она довольно быстро, особенно если учесть, что элементы для солнечной батареи в последние годы постоянно дешевеют, а стоимость электрических ресурсов постоянно возрастает.