Солнечная энергетика. Плюсы и минусы.

Солнечные источники питания – комплекс соединенных между собой фотоэлементов, которые преобразуют энергию солнца в электрическую. Солнечные электростанции – это инженерные механизмы, которые преобразуют свет в электричество

Устройство солнечной батареи

Батарея состоит из модулей, объединяющих последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Большинство фотоэлементов производится из кремния.

Ячейки панелей используют фотогальванический эффект – ток образуется во время освещения полупроводника или диэлектрика. Либо ток образуется электродвижущей силой при разомкнутой цепи на освещаемом образце.

Фотогальванические элементы заключены в корпус. Верхняя часть батареи покрыта стеклом, через которое проникают фотоны света. Так же стекло защищает от вредных воздействий элементы батареи. Крышка с креплением из пластика надежно закрывает заднюю часть модуля батареи.Чтобы достичь необходимого соотношения напряжения и силы тока соединение модулей производится последовательно и параллельно. Передача энергии от солнечных батарей конечному потребителю производится через инверторы напряжения. Преобразованная энергия хранится в батареях.

Механизм работы солнечных батарей

• Ударяющиеся о поверхность батареи фотоны поглощаются кремнием.
• Взаимодействуя с атомами кремния, фотоны выбивают электроны вещества. Появляется разница потенциалов. Свободные электроны для погашения разницы потенциалов приходят в движение, как итог – вырабатывается электрический ток. Являясь полупроводником, солнечная панель «направляет» в одном направлении электроны.
• Полученный ток преобразуется панелью в постоянный и запасается в аккумуляторах или отправляет потребителю напрямую.

Основное сырье для производства батарей – кварцевый песок. В нем содержится двуокись кремния, которая используется в дальнейшем. Песок подвергается высокотемпературной плавке, синтезу и добавлением химических веществ. Кремний очищается до 99,9% - такая чистота требуется солнечным панелям. Кремниевые батареи дорогие в производстве. В настоящее время есть разработки фотоэлементов из полимерных материалов, с КПД 30%.

Классификация солнечных батарей

Панели подразделяют на основании различий рабочего слоя, а также конструкции. Одни отличаются гибкостью, другие – жесткостью. Гибкие становятся все более популярными благодаря легкости установки даже на вертикальных поверхностях зданий. Тем самым добавляют к дизайну архитектуры любого здания тон хай-тека с его практичностью и духом неотехнологий.

Различают солнечные панели по разновидности фотоэлектрического слоя:

• полимерные с КПД, равным 7%
• теллурий-кадмиевые с КПД до 15% (изготавливают из таких металлов, как галлий, медь, селен, индий)
• кремниевые (сюда причисляют аморфные (КПД – 7%), монокристаллические (КПД – 15%) и поликристаллические (КПД – 13%)
• с применением арсенида галлия
• органические
• состоящие из нескольких слоев или комбинации разных типов

Конечного потребителя интересуют, в основном, кристаллические (хотя КПД хуже остальных). Остальные – дороже, поэтому менее популярны.

Моно- и поликристаллические панели

Отдельно кремниевые панели можно подразделить на монокристаллические и поликристаллические. Кремний очень распространен, и поэтому его получение не является трудной задачей. В основе изготовления солнечных панелей находится кварцевый порошок, им богаты Западная Сибирь и Урал.

Монокристаллическиедемонстрируют высокий КПД - 20-22%. Искусственно выращенный цельный кристалл кремния. Имеют однородную структуру. Форма кристалла – квадрат со срезанными углами. Выращивается в непрерывно вращающихся тиглях (печах). Кристаллографическая ориентация получается путем добавления затравки. Затравка и кристалл вращаются в разные стороны, в результате чего образуется большой кусок кремния. Слитки готовых монокристаллов нарезаются тонкими пластинами с помощью алмазных пил, после чего очищаются от суспензии.

У них темный цвет, и по этому признаку их легко отличить. Кремний в их составе проходит хорошую очистку. Цена на такие выше аналогичных моделей по причине сложности процесса очищения и ориентации монокристаллов. Но в таких случаях существуют лимиты касательно угла падения солнечного светового луча. Перпендикулярное положение обеспечит наибольшую производительность. С этим справляются сервоприводы, закрепленные на батареях. Панели следуют за движениями солнца благодаря специальным датчикам. Если сравнивать с поликристаллическими, то можно отметить более высокую мощность с учетом небольших площадей, а также высокий КПД до двадцать пяти процентов (и служат такие приборы до двадцати пяти лет).

Минусы таких солнечных панелей в том, что при попадании пыли и грязи производительность заметно уменьшается, и еще: период окупаемости будет долгим. Еще есть особые требования к установке: на приборы не должна лечь никакая тень, а значит место установки должно быть или высоким, или открытым.

Поликристаллические солнечные панелиотличаются светло-синим цветом, и уже с пятнышками. Делаются посредством химического охлаждения расплавленного кремния, когда множество кристаллов затвердевают близко друг к другу в произвольном порядке. Имеют специфический блик на готовых поверхностях, напоминающий металлические хлопья. По форме квадратные. Дешевые в производстве.

Кремний уже не так хорошо очищен, что сказывается на КПД, который в основном окажется в двенадцать процентов. Но его можно подтянуть до восемнадцати. В условиях плохой погоды такие панели более эффективны. По сравнению с предыдущими, цена заметно ниже, что объясняется неоднородностью состава. Их можно устанавливать в любом месте в сторону солнца, они не просят переориентирования.

Панели из аморфного кремния

Если сравнивать с кристаллическими, то данные панели делают иным способом, механизм производства совершенно другой. На месте кремния применяют гидрид, у которого повышают температуру до состояния пара. Как только пар доходит до подложки, он на ней оседает. Таким путем, все расходы на производство значительно меньше. Существует уже несколько поколений подобных солнечных панелей, КПД которых, конечно же, растет. Обычно КПД находится на уровне 6 - 8%.

Представители первого поколения достигали эффективности только в пять процентов, следующего - в девять. Современные разработки уже говорят о двенадцати процентах, и это не предел. Такие образцы уже можно приобрести, они выходят на рынок, однако их стоимость высока. Их структура позволяет максимально впитывать энергию даже при слабых солнечных лучах, и по данной причине эти панели очень востребованы в северных районах, где много места и немного солнечного света.

Плюсы этих панелей:

• гибкость, что упрощает процесс монтажа и все больше применяется в различных областях
• относительно высокие показатели КПД при слабом рассеивании солнечного света
• работа при высокой температуре носит стабильный характер
• защищены от механических повреждений
• загрязнения не влияют на работу

Панели при должном обращении прослужат более двадцати лет, и за этот период мощность сократится примерно на пятнадцать - двадцать процентов.

Минусы:Он всего один – это требуемая большая площадь.Кремний не является единственным металлом, из которого производят панели. Также изготавливаются из редких, а значит - дорогих материалов. КПД таких панелей выше тридцати процентов, а стоимость в несколько раз выше кремниевых. Но покупатели этого товара естьи рыночная ниша держится стабильно.

Панели из редких металловКак уже отмечено выше, КПД у них более высок по сравнению с кремниевыми. Экстремальные условия требуют устройств, произведенных на основе теллурида кадмия. Их используют для облицовки в очень жарких странах, где днем температура поверхности может достигать восьмидесяти градусов. Востребованными становятся панели из галлия, меди, индия, селенида и из меди, индия и селенида.

Галлий и индий являются настолько редкими металлами, что можно усомниться в возможности их массового применения в производстве. Эффективность этих элементов оценивается в тридцать пять процентов, а иногда и до сорока процентов. С момента развития космической промышленности они успешно применяются, а сейчас используются и в тепловых солнечных станциях, т.к. остаются стабильными в районе 150 градусов Цельсия.

Всего на одной небольшой панели сосредоточены лучи, отраженные множеством зеркал. Так генерируется ток, а затем передается тепло водному обменнику, который превращает воду в пар. Это парообразное состояние вращает турбину, и так появляется электричество. Так солнечная энергия максимально эффективно становится энергией электрической.

Полимерные и органические аналоги

Это результат последних разработок, отличающихся экологической безопасностью и дешевым процессом изготовления, и называются они органическими панелями. Известная европейская компания Heliatek создала пленку толщиной около одного миллиметра, которой обволакивают поверхность сооружений. КПД такой пленки не превышает пятнадцати процентов, а стоимость в несколько раз меньше, чем у кристаллических.

Ячеистые части панелей производят постоянный ток напряжением 12/24 В. Энергия подается напрямую, либо запасаться в аккумуляторах и обеспечивать постоянным током 220 В потребителей с помощью преобразователей напряжения.

Солнечные панели работают в связке с другими механизмами – инверторов или контроллеров. В батареях существуют: параллельные и последовательные подключения. Параллельны тип соединения увеличивает силу тока, а последовательное – напряжение тока. Возможно использование параллельно-последовательного соединения.

Преимущества использования солнечных батарей

• Автономность.Нет зависит от цен на энергоносители и экономической ситуации в стране. Установка электрических батарей незаменима там, где нет возможности подключится к электрической сети. Батарея не сможет отопить весь дом, но легко справится с задачей обеспечения энергией котла отопления.
• Экономичность. Использует нескончаемый источник энергии, не требует подготовки специальной площадки. Снижает стоимость услуг отопления. Батарея мощностью 800 вт способна «запитать» бытовые электроприборы. Срок службы до 25 лет. Окупается в среднем за 3 года.
• Просты в установке.Для установки не требуется разрешения гос. органов: газовой службы, БТИ и других структур.
• Экологическая безопасность. Не опасны для владельцев дома и природы. Источник чистого электричества, не выделяет вредных веществ.

Недостатки у солнечных батарей тоже имеются: они зависимы от погодных условий, региона проживания владельца. Не способны полностью обеспечить энергией дом. Установка массивных электростанций требует серьезных затрат. Надо понимать, что конечная цена солнечной энергии не должна превышать цену за 1 Квт классических источников – газа или электричества.

Особенности работы солнечных батарей

Оптимальными по мощности источниками считаются батареи мощностью от 13,5 Квт – обеспечит бесперебойную работу оборудования. Северные регионы страны малоперспективны для применения панелей. Рационально их использовать в качестве второго (запасного) источника питания. Для солнечных регионов страны более подходят моно и поликристаллические элементы.

Для средней полосы страны больше подходят аморфные батареи.

Эффективность батарей зависит от места установки – наиболее оптимально располагать под углом 30% с южной стороны дома. Также рекомендуется устанавливать вместе с панелью устройство слежения за движением солнца, чтобы максимально «ловить» фотоны.

Солнечные модули можете подобрать в Нашем магазине "Ток Арсенал" https://www.wildberries.ru/seller/236971