Принцип работы солнечной батареи и ее разновидности

Солнечная энергетика – перспективное направление в развитии альтернативных источников энергии. Технология продвинулась настолько, что современные батареи способны закрыть потребности в электричестве загородного дома даже в тех широтах, где количество ясных дней весьма ограничено (например, в Ленинградской области). Разбираемся, каков принцип работы солнечной батареи, какие виды оборудования существуют, какие параметры нужно учесть при выборе.

Как работает технология

Принцип действия солнечных батарей основан на возможности взаимодействия солнечного света (а это электромагнитное излучение) с веществом. При этом взаимодействии энергия фотонов (световых частиц) передается электронам вещества, то есть, энергия света преобразуется в постоянный электрический ток.

Явление было открыто еще в 19 веке, и получило название фотоэлектрического эффекта (фотоэффекта). Для его возникновения и поддержания необходимы фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), полупроводники по способу функционирования.

Полупроводник – материал с избытком или недостатком электронов. В полупроводниковом элементе имеется два слоя с разной проводимостью. Слой с лишними электронами играет роль катода, слой с недостатком электронов – анода. В большинстве современных изделий роль полупроводников выполняют кремниевые пластины, обладающие необходимыми полупроводниковыми свойствами.

Отдельные фотоэлементы имеют слишком малую мощность, чтобы питать электроприбор. Поэтому их объединяют в электрическую цепь, которая формирует то, что называют солнечной батареей (или панелью). Устройство имеет следующее строение:

• Изделие выглядит как панель, в которой заламинированы кремниевые пластины, ответственные за преобразование энергии.
• Сверху панель защищает закаленное стекло. Чтобы повысить эффективность, выбирают марку стекла с низким содержанием оксидов железа. Благодаря такому решению достигается высокая прозрачность, что также играет на эффективность системы.
• Благодаря ламинации панель получается полностью герметичной, а используемые материалы делают ее стойкой к ветровым и снеговым нагрузкам.

Плюсы и минусы

Энергия солнца относится к альтернативным, возобновляемым источникам, ее использование считается прогрессивным способом энергопотребления. Ее преимущества описывают следующим образом:

• Ваши ежемесячные платежи за электроэнергию снижаются (а в идеале исчезают). Степень экономии зависит от размеров установленной системы и объема потребления.

• Если монтаж системы производится на собственном участке, вам не надо получать разрешение на установку оборудования.
• Существует возможность заработать, если вы будете производить электроэнергии столько, что сможете продавать ее государству.
• Затраты на обслуживание остаются весьма низкими.
• Небольшой вес, беспроблемная эксплуатация, отсутствие шума.
• Солнечная энергетика – динамическая отрасль, и эффективность солнечных панелей постоянно повышается. Современные модели могут работать даже при сплошной облачности (выработка при этом снижается).

Люди, скептически относящиеся к установке солнечных батарей, оперируют следующими фактами:

• Панели требуют вложения средств, им нужно пространство для установки, а КПД достаточно низкий даже у лучших моделей.
• Панели могут служить источником энергии лишь днем. Чтобы пользоваться дарами зеленой энергетики круглые сутки, необходим аккумулятор – буферное накопительное устройство, а также инвертор (прибор для преобразования постоянного тока в переменный). «Бесплатную энергию от природы» трудно назвать дешевой.

• Зеленая технология вредит природе не хуже традиционного сжигания любого топлива. Стоит вспомнить особенности производства и, особенно, утилизации панелей и аккумуляторов. Ее экологичность под большим вопросом.
• Такой источник энергии трудно назвать независимым. Вы не имеете точек пересечения с государственными сетями, но не сможете обойтись без компаний, занимающихся обслуживанием, ремонтом систем, продажей комплектующих.
• Не всегда можно выйти на окупаемость системы, чаще технология оказывается убыточной. Дело в невнимательном подборе панелей, низкой производительности, неподходящих климатических условиях.

Разновидности

По способу функционирования солнечные системы делятся на два типа:

• Автономные. Работают там, где нет возможности подключиться к центральной электросети. Минус проявляется в периоды длительного отсутствия солнца (например, зимой), когда есть риск остаться без электроэнергии. Нуждаются в подстраховке дизельным/бензиновым генератором.

• Комбинированные. Система работает автономно, на генерации от солнца, но при необходимости переключается на дублирующий источник (электросеть или тот же дизель). Источники связаны в сеть с помощью приборов, переключение происходит в автоматическом режиме.

Технологии производства и устройства солнечной батареи отличаются, главным образом, методом нанесения кремния. Большинство систем используют модули следующих типов:

• Поликристаллического типа. Бюджетный вариант солнечных батарей, подходит в качестве источника энергии для загородного дома. Существует версия мобильной модели, которую можно взять в путешествие или поход. Недостаток технологии – сравнительно низкая (до 18 %) эффективность.
• Монокристаллический кремний. Панели более надежны в эксплуатации. У них выше срок эксплуатации (до 40-50 лет), стабильнее работа: они сохраняют до 70-80 % мощности на протяжении работы. Панели из монокристаллических элементов демонстрируют эффективность до 22 % (в серии); те, что используются в космической отрасли – до 38 %.

Также возможна установка следующих устройств:

• Мультикристаллический кремний. Модули из мультикристаллического кремния просты в изготовлении, поэтому обладают более доступной стоимостью. КПД доходит до 15 %, служба рассчитана на 25 лет.
• Тонкопленочные батареи. Могут функционировать при рассеянном свете (без прямого солнечного света), что является плюсом в туманном климате или в запыленном воздухе. Это дает дополнительно 10-15 % мощности в год (если сравнивать с традиционными кристаллическими системами).
• Солнечные панели из аморфного кремния. КПД невысокий (6-8 %), зато вырабатываемая электроэнергия – одна из самых дешевых.
• Модели на основе CIGS (полупроводниковые). В состав полупроводника входит медь в смеси с индием, галлием и селеном. В основе изготовления батареи лежит пленочная технология, эффективность достигает 15 %.
• Батареи с использованием теллуида кадмия (CdTe). Изготавливаются по пленочной технологии, отличаются сверхтонким полупроводниковым слоем. КПД не превышает 11 %, зато генерируемая энергия обходится на 20-30 % дешевле, чем у кремниевых моделей.

Тонкости, важные для выбора

Чтобы оборудование оказалось максимально эффективным, рекомендуют определиться со следующими вопросами:

• Формат использования. Он определяет финансовую сторону. Одно дело – портативная панель, которую можно повесить на окно или взять в поездку, совсем другое – полноценная система, для установки на крышу дома. Стоимость последней зависит от страны-производителя и мощности.
• Характеристики. Чтобы выбрать модель нужного типа и мощности, полезно обратиться к специалистам, но здесь все также упирается в способ использования. Для зарядки фонарика хватит панели мощностью в 3-4 Вт, для дачного холодильника понадобится система до 100 Вт.
• Расположение. Для монтажа солнечных панелей выбирают поверхность, ориентированную на юг, без затененных участков. Угол наклона выбирают равным широте местности и корректируют в зависимости от времени года: летом увеличивают на 6°, зимой на столько же уменьшают

Коротко о главном

Солнечные батареи – альтернативный источник энергии, имеющий вид панелей (стационарных или гибких, переносных). Составной частью панелей служат полупроводниковые элементы, способные преобразовывать энергию солнца в постоянный ток. Особенность солнечных батарей состоит в том, что они не могут работать круглосуточно, поэтому нуждаются в дополнительном оборудовании: аккумуляторе и инверторе (для преобразования постоянного тока в переменный).

По способу работы различают автономные и комбинированные системы. Наиболее популярный продукт на энергорынке – это моно- и поликристаллические системы. При выборе подходящей модели важно учесть мощность, подсчитать ценовые затраты. Если вы собираетесь продавать излишки энергии, для подключения к сети необходимо приглашать электрика.