Принцип роботи сонячних батарей і їх ключові особливості

1. історичний екскурс
2. Елементи сонячних батарей
3. Принцип роботи фотоперетворювачів
4. З чого складається модуль геліоустановки?
5. Як виробляти підключення?
6. Які альтернативи існують і що краще використовувати?

Головна особливість розумного будинку - забезпечення комфорту і безпеки приживаються при ефективному використанні ресурсів.

Таке завдання вирішується установкою власних джерел енергопостачання та автоматизованих систем, що забезпечують безперебійне надходження енергоресурсів за рахунок своєчасного перемикання подачі з різних джерел.

Сонячні батареї (геліосистеми) - один з варіантів автономного електропостачання. Якщо вас зацікавила дана інформація, читайте додатково про те, як зробити сонячні батареї будинку своїми руками ? Ознайомтеся також з нашим матеріалом про сонячних електростанціях для вашого будинку.

історичний екскурс

Хоча перші пристрої, що виробляють електричний струм під впливом сонця, були сконструйовані ще в XIX столітті, фактично історія створення сонячної батареї починається з 1954 року. 25.04.1954 в США були отримані перші фотоелектричні елементи на основі кремнію.

Їх принцип роботи дозволив підвищити ККД c 1% до 6%. Нові розробки в геліоенергетики велися постійно, і в 1970 році ККД становив уже 10%. Однак, через високу вартість виробництва, такі джерела енергії, як і раніше використовувалися лише в відкритому космосі.

В кінці 80-х - початку 90-х минулого століття, коли ККД фотоелектричних елементів виріс до 20%, почалося використання геліоенергіі на Землі. У 2013 році були створені елементи на індієвий-галій-арсенідной основі, коефіцієнт корисної дії яких становить 44,4% (компанія Sharp). У тому ж році група фахівців створила батареї з використанням лінз Френеля. Їх ККД становив 44,7%.

Елементи сонячних батарей

Принцип роботи фотоелектричних панелей полягає у виробленні постійного струму. Так як всі прилади працюють від змінного струму, то для повноцінної роботи геліосистем потрібні кілька елементів:

• фотоелектіческіе панелі (модулі),
• акумулятори,
• контролер акумулятора,
• інвертор 12 / 24-220V.

Контролер стежить за зарядкою і розрядкою акумулятора. Івертор (перетворювач струму) - перетворює постійний струм в змінний. Акумулятори потрібні для зберігання виробленої енергії. В батареї можуть використовуватися два типи акумуляторів: свинцеві або гелеві.

Принцип роботи фотоперетворювачів

Модулі складаються з окремих елементів - фотоелектропреобразователей (ФЕП). ФЕП - це кремнієві напівпровідники, можуть бути трьох типів:

• з монокристалічного кремнію,
• з полікристалічного кремнію,
• з стрічкового кремнію (гнучкого).

Принцип роботи ФЕП побудований на різниці потенціалів, так як напівпровідник має два шари (на атомному рівні) - n-типу і p-типу.

Між ними утворюється слабке електричне поле pn перехід.

Під впливом фотонів світла, вибиваються електрони в зоні n-типу і утворюються дірки в зоні p-типу.

Якщо до кремнієвої пластини під'єднати зовнішній провідник, то нього електрони з n-зони перетікають в p-зону. При цьому в провіднику з'являється напруга, тобто енергія фотонів світла перетворюється в електричну.

З чого складається модуль геліоустановки?

У продажу є готові панелі потужністю 40-260 пікових ват. Пікові вати показують максимально можливу потужність при яскравому сонці і правильній установці (кут нахилу, з'єднання). Їх розмір коливається від 0,4 до 2,5 квадратних метрів.

При бажанні такий модуль можна зібрати самостійно, але слід врахувати, що потрібно забезпечити високий ступінь герметизації. У заводських умовах це досягається приміщенням модуля в вакуумну піч, де і проводиться ламінування.

За своєю конструкцією модуль - це окремі ФЕП елементи, з'єднані між собою металевими шинами. Після з'єднання, вийшла панель, шунтируют діодами. Це робиться для запобігання виходу з ладу тих частин, які можуть виявитися затіненими.

При відсутності діодів енергія з освітлених осередків перетікає в неосвітлені, з-за чого останні перегріваються. Якщо шунтування вироблено, то в момент затемнення панель дає меншу потужність (на 25%), а всі осередки залишаються працездатними.

Далі панель ламінують і поміщають між багатошаровими стеклами, після чого укладають в пластиковий або алюмінієвий каркас. До нижньої стороні модуля підключають клемник, де знаходяться контакти для підключення до електричного кола.

Як виробляти підключення?

Варіанти монтажу сонячних панелей можуть бути різні:

• Горизонтальний, при установці на плоский дах.
• Похилий, при установці дах з кутом ската вище 15.
• Свободностоящий, при установці панелей на опорні конструкції.
• Інтегрований, при установці панелей, як елементів будівлі.

При виборі варіанту слід враховувати, поверхня фотоелементів повинна бути орієнтована на південь, а оптимальний кут падіння променів на панель - 90º.

В ідеалі панелі встановлюються на поворотні конструкції. На практиці кут нахилу змінюється два рази на рік - в зимовий період виставляється 60º-70º відносно лінії горизонту, а в літній - 15º-20º.

Незалежно від установки, принципова схема підключення до енергосистеми будинку не відрізняється. Нижче наведена схема підключення з використанням мережевого і акумуляторного контролера.

Це дозволяє використовувати енергію від геліоустановки навіть при наявності напруги в центральній мережі, що збільшує ефективність використання ресурсів.

Які альтернативи існують і що краще використовувати?

Крім геліосистем, як автономні джерела енергії можуть використовуватися такі види:

• дизель генератор,
• вітрогенератор,
• тепловий насос.

Дизель-генератор традиційно використовується, як автономний або резервне джерело живлення.

Однак такі пристрої мають ряд недоліків - високий рівень шуму, пожежонебезпека, а також виділення в процесі роботи великого обсягу вихлопних газів. Головне достоїнство - стабільна робота, незалежно від погодних умов.

Дизель-генератори не можна назвати незалежними джерелами енергії, так як принцип їх роботи НЕ вироблення енергії, а перетворення з використанням невідновлюваних ресурсів.

Переваги вітрогенератора - екологічність і повна автономність.

Недолік - залежність від погоди. Це дуже відчутний мінус, так як при повному штилі можна надовго залишитися без електрики. Теплові насоси бувають різних конфігурацій, вони незалежні від сезонності і зовнішніх умов.

До умовних недоліків цього джерела енергії можна віднести той факт, що він виробляє тільки теплову енергію. Тобто його можна використовувати для опалення або кондиціонування будинку, а також для підігріву води.

З огляду на недоліки і переваги вищеперелічених систем, можна зробити висновок, що розумний будинок повинен мати комбіновану систему. Наприклад, сонячні батареї можуть доповнюватися тепловим насосом. Такий варіант дозволяє забезпечувати будинок і теплової, і електричною енергією.

https://youtu.be/aAH0LAiiHAA