Солнечные батареи

С каждым днем люди на планете все больше зависят от разного рода носителей энергии. Один из них, безусловно, солнце. Но что есть такое его лучи?  Весь электромагнитный спектр солнечного излучения, какую бы энергию ни несли отдельные ее участки, представляет излучение физи­ческих тел. Основные источники света - атомы - никогда не испускают его непрерывно. Напротив, их излучение носит прерывистый, дискрет­ный характер, ибо все атомы генерируют свет только в виде отдельных квантов электромагнитного поля - фотонов. Однако уже в простом опы­те по разложению белого света с помощью призмы обнаруживается удивительный красочный порядок, который наглядно демонстрирует не только энергетический, но и явно семиотический (знаковый) характер спектра. Примерно такой же по многогранности спектр представляют собой и солнечные лучи, воздействующие на кремний (заложенный в основе) фотоэлементов, соединенных в батареи.

Кремний

Песок кремния

Кремниевая заго...

Кремниевый элем...

Процесс преобразования световой (photons) энергии в электрическую (voltage) называется PV-эффект. Он был открыт в 1954 году, когда уче­ные обнаружили, что кремний (этот элемент - основа обыкновенного песка) создает электрическую энергию, когда его освещают солнечным светом. Вскоре солнечные элементы стали применять для питания элек­тронной аппаратуры космических спутников,  небольших электронных устройствах таких, как калькуляторы и наручные часы и в других отрас­лях.Сегодня солнечные батареи массово применяются в качестве зарядных устройств небольшой мощности - для сотовых телефонов и другой бытовой техники.

Установка солне...

Туризм

Судостроение

Перезаряжаемые ...

Применение солн...

Применение солн...

Применение солн...

Эко-дом

<Когда аккумулятор для зарядки подсоединяется к солнечной панели, обычно в цепь необходимо включать контроллер для предупреждения перезаряда. Эта схема использует параллельный способ подключения. При этом способе солнечная панель всегда подключена к аккумулятору через последовательный диод. Когда солнечная панель заряжает акку­мулятор до желаемого максимального напряжения, схема параллельно солнечной панели подключает нагрузочный резистор, чтобы поглощать избыточную мощность с солнечной панели.

Функция полезной мощности, отдаваемой солнечной батареей в на­грузку, зависит от вырабатываемого напряжения, которое в свою оче­редь зависит от инсоляции - то есть от интенсивности солнечного света - и температуры самой батареи. Работа на кривой зависимости ток/напряжение где-либо еще кроме точки максимальной получаемой мощности, приводит к снижению эффективности работы и потере до­ступной энергии. Следовательно, контроль точки максимальной мощно­сти является необходимой функцией в передовых системах управления источниками солнечной энергии, так как это может увеличить практиче­скую эффективность часто на 30 % и более.

Системы, получающие энергию от возобновляемых источников, та­ких как солнечные батареи, обычно накапливают энергию в аккумуля­торах, а затем отдают ее в нагрузку Часто, оба этих процесса происхо­дят независимо. Периодическое вычисление оставшегося заряда акку­мулятора гарантирует хорошую и продолжительную его работу, то же относится и к контролю тока, отдаваемого аккумулятором в нагрузку. Текущий заряд батареи вычисляется исходя из ее ранее вычисленного заряда, плюс полученная энергия при заряде или минус энергия, отдан­ная в нагрузку.

Современный мир уже невозможно представить без электричества, и аккумулирующих его устройств, в частности - солнечных батарей, а, следовательно, чтобы идти в ногу со временем, людям нужно применять новые нетрадиционные методы энергоснабжения, хотя бы для того, что­бы наш жизнь в быту и на природе стала более комфортной.

К слову, цены на солнечные батареи упали (за последние 20 лет) в 30-40 раз. Более того, они продолжают снижаться, что делает их использо­вание весьма перспективным.

Солнечная батарея — бытовой термин, используемый в разговорной речи или не научной прессе. Обычно под термином «солнечная батарея» подразу­мевается несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

Мощность потока солнечного излучения на расстоянии 150 млн. км от Солнца, без учёта потерь в атмосфере Земли, составляет около 1350 ватт на квадратный метр. В то же время, удельная мощность солнечного излучения  в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м². С помо­щью наиболее распространённых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9—24 %.

В отдельных лабораториях получены солнечные элементы с эффективно­стью 43 %.  В январе 2011  уже поступили на рынок солнечные элементы с эффективностью 39%.

ФЭП применяются в условиях хорошей освещенности. Различают несколько типов солнечных кремневых батарей. Самый эффективный тип (ФЭП) изготавливают из монокристаллического кремния. КПД та­ких (ФЭП) доходит до 24%.

Монокристалличе...

Распространенные ФЭП на основе монокристаллов имеют высокую эффективность  и практически неограниченный срок эксплуатации, по­мимо незначительного потемнения технологического полимера, од­новременно являющегося герметиком для фотопластин; исходя из этого срок эксплуатации может достигать четверти века.

Времена, когда солнечные панели были очень громоздкими, хрупки­ми и нежными, постепенно уходят в прошлое и производители предла­гают все более экстремальные варианты этих экологических источников энергии.

ФЭП из поликристаллического кремния имеют максимальный КПД до 20%, срок эксплуатации приближенный к сроку эксплуатации моно­кристаллического кремния.

Поликристалличе...

Себестоимость поликристаллического кремния незначительно ниже монокристаллического. Ниже в таблице приведены типы ФЭП на сег­шодняшний день и максимальные значения  эффективности этих фото­элементов и модулей.

Солнечная панел...

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей,
достигнутые в лабораторных условиях

Крупнейшие современные мировые производители фотоэлектрических элементов.

1. Sanyo Electric
2. Suntech
4. Sharp
5. Yingli
6. Trina Solar
7. Sunpower Corporation
8. Kyocera Corporation
9. Canadian Solar
10. SolarWorld AG
11. Grand Overon UA

система электро...

Рис. 1  Блок-схема системы электроснабжения жилого дома от солнечных батарей.

Согласно представленной иллюстрации полезная мощность (и ее смысл) для потребителя зависит от мощности каждого элемента устрой­ства.

Главным ценообразующим фактором солнечной батареи и ее отдель­ных элементов также является полезная мощность (напряжение и вы­ходной ток).

Большинство солнечных элементов производятся из дорогостоя­щего кремния. Как следствие, высокая стоимость электроэнергии, производимой солнечными батареями. Однако, возможно все мо­жет измениться в будущем. Предполагается, что через 10 лет - энергоресурсы, добытые с помощью солнца, будут продаваться по цене на 50 % ниже добываемой при помощи угля, природного газа и ядерного топлива.

В течение года солнечные батареи теряют до 1,5% своей перво­начальной мощности из-за старения кремния. Если при изготовле­нии солнечной батареи был допущен брак, то он может обнару­житься через несколько месяцев, или даже лет. Именно поэтому не стоит покупать «дешевые» солнечные батареи, потому что они в результате могут оказаться очень дорогостоящими.  Тем не менее, мнений и соображений противников и сторонников солнечных ба­тарей очень много, и пожалуй, единственное в чем все противобор­ствующие стороны солидарны, так это в том, что использование солнечной энергии для альтернативных источников питания устройств весьма оправдано и очень перспективно.

Учитывая относительно небольшую выходную мощность, источ­ник на основе лишь одной солнечной батареи нельзя назвать удовлетворительным. Поэтому, те потребители, кто обладает се­рьезным финансовым ресурсом, соединяют солнечные батареи в модули, дополняют их устройствами контроля заряда аккумулято­ров, мощными преобразователями энергии и в таком виде система может уже обеспечивать бесперебойное энергоснабжение дома (коттеджа), хотя окончательная стоимость соизмерима с нескольки­ми сотнями тысяч рублей.

За источниками альтернативной энергии, безусловно, будущее. Год от года солнечные элементы будут «дешеветь», а их полезная мощность будет повышаться.

Главным же минусом применения солнечной батареи обычно называют зависимость от ее питания - Солнца. Именно поэтому в систе­ме альтернативного источника питания предусмотрена мощная АКБ, ко­торая «отдает» ток в нагрузку в то время, когда солнечная энергия осла­бевает, к примеру, ночью.

Немаловажным фактором является и то, что максимальная польза (КПД) солнечной батарей получается тогда, когда солнечные лучи пада­ют на поверхность фотоэлектрических элементов (ФЭЭ) под углом 90°, то есть перпендикулярно. В иных случаях (земля, как известно, постоян­но вращается вокруг солнца) при изменении угла падения солнечных лучей и их отражения, эффективность батареи несколько снижается даже в солнечную погоду

В ясную погоду на 1м² земной поверхности в среднем падает 1000 Вт световой энергии солнца. В зависимости от местности участка земли солнечная энергия поступает неравномерно из-за облачности в пасмур­ную погоду, есть места, где солнце светит 320-350 дней в году, а есть такие места, где солнца не бывает вообще. Исходя из этого, необходимо рассчитать эффективность их применения в каждом конкретном случае.

Солнечные энерг...

В помощь этому ниже в таблице 1 приведены сведения о поступлении солнечной радиации для некоторых городов России. Таблица построена по данным спутников NASA.

На широте Москвы в течение ясного солнечного дня поступает около 3 кВт/час солнечной энергии на 1 м². В таблице 2 представлены сведе­ния о суммарной солнечной радиации применительно к широтам (по ней можно приблизительно высчитать солнечную энергию в других го­родах).

Таблица 1.  Поступления солнечной радиации, для некоторых городов

*К — коэффициент суммарной солнечной радиации по отношению к г. Москва.

Таблица 2. Суммарная солнечная радиация на разных широтах.