Как работает солнечная батарея: принцип и устройство

Впервые люди попытались получить электричество из энергии солнца ещё в середине прошлого столетия. Развитые государства занимались созданием солнечных коллекторов. Их функционирование заключается в том, что вода нагревается за счёт воздействия света и начинает испаряться. Затем под воздействием пара начинает работать турбина электрогенератора.

Так как в таких конструкциях речь шла о трансформации энергии, о высокой эффективности подобных устройств оставалось только мечтать. Нынешние солнечные батареи сразу из солнечных лучей делают электричество. Это возможно благодаря фотоэффекту. Французский физик Александр Эдмон Беккерель в далёком 1839 году открыл принцип, по которому и функционируют современные устройства. Он создал химическую батарею, которая под воздействием солнца вырабатывала электричество. А в 1873 году создали полупроводник, благодаря которому принцип того, как работает солнечная батарея, реализовали на практике.

Основные солнечные элементы

Чтобы разобраться в работе солнечных панелей, сначала нужно узнать, из чего они сделаны. Активно используется кремний, один из самых распространённых химических элементов. Однако производство кристалла кремния хорошего качества требует высоких затрат, поэтому домашние солнечные панели создают из похожих, но более дешёвых материалов. Речь идёт о селениде (CIGS), меди, галлии и индии. По сравнению с качественным кремнием, они обеспечивают меньшую, но достаточную эффективность при адекватных затратах. Мы же поговорим о солнечных панелях, которые базируется на кремнии.

Принцип работы солнечной батареи

Как мы уже отмечали, солнечные батареи работают благодаря фотоэлектрическому эффекту. Кремний – один из лучших полупроводников на планете. Панелями энергия солнца непосредственно преобразуется в электричество, и это выгодно отличает их от коллекторов. Лишние электроны покидают свои атомы в n-слое. Затем они захватываются атомами p-слоя. Электроны всегда пытаются вернуть себе начальное положение. Это приводит к тому, что электроны минуют проводники (ими даётся энергия на питание аккумуляторов) и попадают обратно в n-слой, откуда и началось их движение.

Если используется монокристаллический кремний, эффективность фотоэлементов резко возрастает, потому что движение электронов прямолинейное из-за меньшего количества граней у кремния.

Устройство

В состав схемы солнечной панели входят аккумуляторы, блоки преобразователя, корпус и другие устройства. Корпус служит лишь коробкой для конструкции, больше никакой задачи он не выполняет. Главная часть панели – это фотоэлемент, его изготавливают из кремния, который наносят либо поли-, либо монокристаллическим методом.

Если используется монокристаллический способ, КПД солнечной панели на очень высоком уровне, но вместе с тем сильно растёт и стоимость. Также важной частью устройства, являются аккумуляторы. Обычно устанавливают пару, один из которых основной, а второй выступает в роли резервного. Главный аккумулятор копит электрическую энергию, тут же отправляя её в электросеть. Резервным аккумулятором, в свою очередь, копится избыточная электрическая энергия. А когда происходит падение напряжение, тогда он и направляет электроэнергию в сеть.

Из сторонних элементов отметим контроллеры, которые нужны, чтобы электрическая энергия оптимально распределялась. Обычно их работа основывается на принципе реостата – переменного резистора. Также важной составляющей можно назвать диоды. Благодаря им солнечная панель защищается от перегрева и слишком высокого напряжения. Если же обходиться без диодов, высок риск, что работать солнечная панель для дома перестанет после первого ливня.

Как подключается

Солнечные батареи нужно подключать последовательно-параллельно. В таком случае у системы, если она содержит много панелей, напряжение будет оптимально подобрано. От правильно выбранного способа зависит эффективность.

Виды солнечных батарей

Фотоэлементы для батарей бывают разные, их отличие заключается в устройстве кристаллов кремния. О моно- и поликристаллических мы уже говорили. Фотоэлементы из монокристаллического кремния имеют высочайший КДП, который иногда составляет 25%. Ценник на такие батареи очень высокий, но при этом требуется меньше панелей для покрытия потребностей в электричестве. Поликристаллические фотоэлементы более бюджетные из-за их низкой эффективности по сравнению с монокристаллическими собратьями. Кроме того, существуют гибкие фотоэлементы из аморфного кремния. В таком случае КПД совсем низкий, порядка 5%.

Достоинства и недостатки

Главный плюс солнечных панелей очевиден: энергия, которую даёт солнце, абсолютно бесплатна. И она экологически чистая. Устанавливать панели очень просто, и принцип их функционирования предельно понятен. Также они быстро окупаются.

Теперь к недостаткам. Это, прежде всего, высокий ценник. Для того, чтобы покрыть потребности маленькой семьи, необходима значительная площадь фотоэлементов. А когда солнце закрывают облака, эффективность резко снижается.

Как получить максимальную эффективность

К покупке солнечных панелей для своего жилища, нужно подходить ответственно, чтобы все потребности в электричестве были покрыты. Говорят, что солнечные батареи дают 40 Вт на 1 м² ежечасно в пасмурную погоду. На поверхности планеты половина солнечного света приходится на долю инфракрасного света, из которого не получится добыть электроэнергию, потому что солнечные батареи не это неспособны. Однако учёные изобрели фотоэлементы, которые позволят батареям преобразовывать даже инфракрасный свет. Это стало возможным благодаря уникальным оптическим наноматериалам.

Кроме того, нужно понимать, что лишь изредка КПД панели может превысить 25%. Бывает, что яркий солнечный свет может давать 500 Вт энергии на 1 м². Но, чтобы система работала без перебоев, нужно рассчитывать, используя минимальные показатели. Световой день составляет 9 часов согласно среднегодовым данным. Мощность потока солнечных лучей в районе экваториального пояса может достигать одного киловатта. В пасмурных условиях она опускается ниже 100. Если в доме в течение дня потребляется порядка 20 кВт, то солнечные электрические панели должны занимать около 40 квадратных метров. Но на практике жильцы обычно расходуют в два раза меньше.

Если есть желание, чтобы панели работали и в зимнее время, необходимо учитывать, что световой день сильно сокращается и на улице часто пасмурная погода. Поэтому не обойтись без мощных аккумуляторов, включая резервный. Тогда энергии должно хватить. В целом, крайне важно смотреть на ёмкость аккумуляторов. Чтобы батареи работали и ночью, ёмкость резервного аккумулятора выходит на первый план. Кроме того, солнечная аккумуляторная батарея должна нормально переносить регулярную перезарядку, иначе быстро начнёт терять ёмкость.

Установка солнечных батарей – затратное занятие, стоимость может перевалить за миллион рублей. Однако электрическая энергия бесплатна, поэтому первоначальные затраты за несколько лет полностью окупятся. Особенно в случае высокой эффективности устройств.