Как работают гибкие солнечные батареи: особенности конструкции

Схема и принцип работы домашней электростанции

Имея только солнечную батарею, не получится использовать производимую ей электроэнергию для питания электрических приборов. Чтобы создать домашнюю электростанцию по стандартной схеме (с напряжением на выходе 220 В), кроме гелиопанели понадобится приобрести (или самостоятельно собрать) еще ряд устройств:

• аккумуляторную батарею (АКБ);
• контроллер;
• инвертор.

Устройства должны соответствовать по своим рабочим характеристикам друг другу. Все подсоединения на участке цепи с постоянным током должны выполняться строго с соблюдением указанной полярности.

Работает схема так:

1. Вырабатываемое фотоэлементами солнечной панели напряжение подается на соответствующие клеммы контроллера. Прибор распределяет электроэнергию между потребителями и аккумулятором. Он контролирует величину заряда АКБ, защищая ее (от перезарядки или полной разрядки) и панель (от обратных токов).
2. Так как гелиопанель вырабатывает постоянный ток, то после контроллера (или аккумулятора) питание поступает на инвертор. Данный прибор предназначен для преобразования постоянного напряжения (величиной 12, 24 или 48 В) в переменное (220 В частотой 50 Гц).
3. После инвертора уже осуществляется подключение домашнего электрооборудования.

Аккумуляторы выполняют свою стандартную функцию – являются накопителями энергии. Заряжаются они в светлое время суток, а разрядка происходит ночью.

Для повышения уровня надежности электроснабжения устанавливают две аккумуляторные батареи: основную и резервную. Избыточная электроэнергия будет сохраняться в «резерве». Соединяют аккумуляторы последовательно или параллельно в зависимости от вольтажа АКБ и необходимой величины напряжения на их общем выходе. Пример представлен на иллюстрации:

Чтобы сэкономить, можно обойтись без контроллера или аккумулятора либо без обоих устройств. В первом случае понадобится постоянно следить за уровнем заряда АКБ и отключать их в ручном режиме. Если этого не делать, то аккумуляторы быстрее выйдут из строя, не будут оптимальным образом функционировать панели. При отсутствии аккумуляторной батареи электростанция будет функционировать только при достаточном уровне освещенности. Такой вариант подходит только для совместной работы с системой централизованного электроснабжения.

Бывают случаи, когда используются для освещения лампочки на 12 В постоянного напряжения. Тогда инвертор не нужен.

Для защиты участков цепей переменного и постоянного тока используют предохранители с соответствующим номиналом по силе тока. Гелиопанели от перегрева и перегрузок по напряжению спасают с помощью диодов. Их число рассчитывается по количеству фотоэлементов в схеме.

Чтобы повысить эффективность работы гелиопанелей, их можно оснастить поворотными механизмами. Последние разворачивают панели максимальной площадью к Солнцу, используя специальные датчики слежения за светилом.

Особенности [ править ]

Схемы из органических фотоэлектрических материалов наносятся в пять слоев на обычные бумажные подложки в вакуумной камере. Это делается путем покрытия конформных электродов из проводящего полимера парообразным окислительным химическим веществом, процесс, известный как химическое осаждение из паровой фазы . Такие солнечные панели способны производить напряжение, превышающее 50 В, что, в свою очередь, может питать приборы при нормальных условиях освещения. Также показано, что солнечный элемент является гибким. Проводящая сетка солнечных элементов аналогична необходима цитатана распечатку фотографий для струйной печати с прямоугольниками с рисунком. Когда провода прикреплены к электрической подложке, они используются для питания электрических приборов. Стоимость «печати» (как ее описывает Массачусетский технологический институт) утверждается, что она аналогична стоимости струйной фотопечати. этой технологии используется температура осаждения из паровой фазы ниже 120 ° C, что упрощает производство на обычной бумаге. Текущая эффективность панели составляет около 1%, и исследователь надеется улучшить ее в ближайшем будущем.

Проблемы нахождения и использования конструкций и материалов для солнечных элементов

Большинство современных СЭ обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позвляют многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше.

В типичном многопереходном солнечном элементе (рис.13) одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д.

Рис.13. Принцип построения многопереходного солнечного элемента

Основное направление исследований в области каскадных элементов связано с использованием арсенида галлия в качестве одного или нескольких компонентов. Эффективность преобразования подобных СЭ достигает 35 %. Кроме того в каскадных элементах широко применяются аморфный кремний, сплавы на его основе (a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H), а также CuInSe2.

Рис.14. Каскадный элемент

На рис.14 изображена каскадная батарея, в которой верхним элементом служит структура на основе GaInP c n-AlInP в качестве окна, далее следует туннельный диод на GaAs для прохождения носителей между элементами и нижний элемент из GaAs.

Рис.15. Трехкаскадный солнечный элемент на основе сплавов a-SiGe:H

Весьма перспективны каскадные батареи, состоящие из трех элементов с различной шириной запрещенной зоны (рис.15). Верхний слой, поглощающий коротковолновую область солнечного спектра, сформирован из сплава на основе a-Si:H с шириной оптической щели 1,8 эВ. Для серединного элемента в качестве слоя i-типа использован сплав a-SiGe:H с содержанием германия ~10–15%. Ширина оптической щели данного слоя (1,6 эВ) идеальна для поглощения зеленой области солнечного спектра. Нижняя часть СЭ поглощает длинноволновую часть спектра, для этого используется i-слой a-SiGe:H с концентрацией германия 40–50%. Непоглощенный свет отражается от заднего контакта на основе Ag/ZnO. Все три элемента каскадной солнечной батареи связаны между собой сильнолегированными слоями, образующими туннельные переходы между соседними элементами.

Гибкие солнечные батареи

Очень удобными являются гибкие панели, которые легко сворачиваются в рулон, словно обычная бумага. Хотя стоимость их выше, чем твердотельных аналогов, они на рынке заняли свою нишу. В основном они пользуются спросом у туристов и путешественников, которым в условиях отсутствия электрификации необходимо заряжать мобильные гаджеты. Главным производителем гибких батарей, работающих от солнечной энергии, является компания Sun Charger, которая, к слову, недавно обновила свой модельный ряд моделями 34 Вт и 9Вт.

T_3Fq3YnxMk

Первая модель подходит для питания планшетов, сотовых телефонов, видеокамер, цифровых фотоаппаратов, GPS, гелевых аккумуляторов 6 и 12 вольт, т.е. она может в условиях похода обеспечить потребности нескольких человек.

SunCharger SC-9/14 — батарея в сложенном виде

Она же — в раскрытом виде

Особенности батареи: компактная складывающая конструкция, работающая в диапазоне температур от -50 до +70 градусов, вес которой всего 420 граммов, снабжена антибликовым покрытием, встроенным светодиодом, люверсами для крепления. Выходной разъем круглый (5.5 мм / 2.1 мм.).

Характеристики электрические: рабочее выходное напряжение 13,5 В (стандартное 12В), без нагрузки – 19В; рабочий выходной ток – 0,65 А; габариты в сложенном и развернутом виде — 20.5х15х3 см и 50х41.5х0.4 см; мощность выходная – 8,6 Вт.

Выходной разъём SunCharger SC-9/14

Вторая модель SunCharger SC-34/18 на сегодняшний день является в линейке гибких солнечных батарей самой мощной. Разработана она специально для универсальных накопителей (ноутбуков), имеющих на входе зарядки, как правило, 17-19 вольт. Максимальная мощность – 18В. К накопителям она подключается напрямую, что обеспечивает идеальное согласование. Понятно, что для менее «прожорливых» накопителей она также подходит, в том числе для двенадцати вольтовых свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях.

Солнечная батарея выдает 18 В в точке своей максимальной мощности и напрямую подключается к этим накопителям. Таким образом, она «идеально» с ними согласована.

Естественно, эта батарея подходит и для зарядки менее прожорливых потребителей. Как известно, мощности мало не бывает. А также спокойно заряжает 12 В свинцовые аккумуляторы, в том числе, и автомобильные (через несколько часов зарядки уже можно завести машину). Толщина ее 4 см (т.е. стала чуть больше), но получилась батарея даже немного компактнее, чем обычные батареи на 12 В.

Солнечная гибкая батарея (модель SunCharger SC-34/18)

Достигнуто это за счет более тонкой ткани, используемой в ее производстве и ламинированных фотоэлементов большей площади.

Эта же батарея в раскрытом виде

Помимо особенностей, характерных для предыдущей модели, здесь имеются на выходе помимо круглого разъема, еще «мама» и «папа».

Электрические характеристики: мощность выходная, как понятно из маркировки, 34 Вт; рабочий выходной ток – 1.9 А; габариты 40х18х4 см (в сложенном виде) и 40х18х4 см (в раскрытом). Напряжение на выходе – 18 В и 26 В (без нагрузки). Вес, конечно, намного больше – 1,7 кг.

Портативная солнечная батарея – специально для туристов

У каждого в наше время есть электронные гаджеты. Не суть, что у кого-то их меньше, а кого-то больше. Все их необходимо заряжать, а для этого нужны зарядные устройства. Но, особенно остро этот вопрос касается тех, кто попадает в места, где отсутствует электропитание. Единственным выходов являются солнечные батареи. Но, цены на них остаются высокими, а выбор — небольшим. Оптимальным вариантом, как принято считать, является продукция компании Goal Zero (хотя есть и российская продукция, и китайская – как всегда вызывающая сомнении).

Но, оказалось, что не все то плохо, что сделано в Китае или Корее. Особенно порадовала солнечная батарея компания YOLK из Чикаго, которая начала производство компактной солнечной батареи Solar Paper – самой тонкой и легкой. Ее вес всего 120 граммов. Но есть и другие преимущества – модульная конструкция, позволяющая наращивать мощность. Солнечная батарея похожа на пластиковую коробку, по размерам напоминающую Ipad, только тоньше в два раза. На ее лицевой стороне размещена солнечная панель. Есть на корпусе выход для ноутбука и порты USB и для подключения других солнечных панелей, а также фонарик. Внутри этой чудо коробки – аккумуляторы и плата управления. Зарядить девайс можно от розетки, причем, одновременно это могут быть телефон и два ноутбука. Конечно, заряжается устройство и от солнца. Как только на него попадает свет, загорается индикатор. В походных условиях солнечная панель просто незаменима: с успехом заряжает все нужные устройства – телефоны быстрее, ноутбуки.

Портативные солнечные батареи отличаются компактными размерами: они выпускаются даже в виде брелков, прикрепить которые можно к чему угодно. Разрабатывались они для того, чтобы можно было их взять на рыбалку, в поход и пр. Обязательно у них имеется фонарик, чтобы ночью можно было осветить дорогу, палатку и т.д., крепления, позволяющие легко их разместить на рюкзаках, байдарках, палатках

Очень важно, чтобы в таком устройстве был встроенный аккумулятор, позволяющий заряжать девайсы и в ночное время

Рекомендации по выбору

Итак, вам нужна солнечная батарея для своей дачи

Что важно, или на что обратить внимание для того чтобы организовать солнечную электростанцию?

1. Солнечные панели. Основное назначение — трансформация энергии солнца в электрическую. От их количества напрямую зависит мощность вашей домашней электростанции. Понятно, чем она больше, тем шире возможности для этой батареи. Обычно для дачи пользователи закупают комплекты из 2–4 модулей, каждый из которых мощностью под 200 Вт. Есть умельцы, которые собирают батарею из отдельных элементов и комплектующих. Такая панель также будет прекрасно работать. Правда времени на это хобби уйдёт много. Так что лучше заказать и купить уже готовые модули. Так и время можно сэкономить, и есть гарантия на приобретенные элементы.
2. Инвертор. Преобразует постоянный ток от панелей в привычный переменный, напряжением 220 В.
3. Аккумуляторы — необходимы для накапливания излишков солнечной энергии. Также могут существенно помочь в случае экстренного отключения электричества, или отсутствия солнца. Накопленные излишки энергии, в этом случае, передаются в инвертор. Количество батарей может отличаться, в зависимости от количества солнечных элементов
4. Провода, разъемы различного типа и коннекторы — призваны соединить все элементы в единую сеть.

Обычно когда человек хочет использовать солнечные батареи на даче все элементы можно приобрести в комплекте в специализированых магазинах или заказать комплект по Интернету.

Есть уже готовые комплекты. Например, если суточная потребность в электричестве не превышает 5 кВт, есть комплект “Загородный дом”. Это неплохой вариант для дачных или загородных домов. Именно для дачного периода с марта по октябрь ваш домик может работать исключительно за счет энергии солнца. Конечно, комплекты такого типа могут работать и в зимний период, но как дополнение к центральной электросети.

Что учесть при выборе?

1. Цена.

Здесь все зависит от целей и условий использования. Для путешествий подойдет дешевый вариант. А для установки на крышу дома придется заплатить до 1000 долларов.

1. Параметры.

Так как эта область на данный момент мало кому известна, необходимо обратиться к специалистам в этой области, которые подскажут, какая мощность необходима для ваших целей.

1. Мощность.

Это также зависит от целей, для которых вы приобретаете панель. Существуют батареи, которые могут зарядить лишь фонарик, а некоторые из них могут питать холодильник, находящийся у вас на даче.

1. Комплектация.

Качественные панели идут в комплекте с различными фиксаторами, переходниками и другими элементами, которые могут быть полезны.

Устройство гибких солнечных панелей

Преобразование энергии солнца в электрическую люди изучили достаточно давно, но коммерческие образцы солнечных панелей появились на рынке только в последние годы. Ещё несколько десятилетий назад они использовались только в космонавтике или военной сфере. Сейчас выпущено множество устройств, которые функционируют от солнечной энергии. В качестве примера можно привести калькуляторы, аккумулятор для телефона с солнечной панелью, солнечная батарея для зарядки автомобильной АКБ, всевозможные водонагреватели и системы обогрева частных домов.

Самые первые солнечные батареи были тяжёлыми и крупногабаритными. Кроме того, у них был небольшой КПД. Но постепенно конструкция совершенствовалась, размеры уменьшались, а эффективность росла. Сейчас им уже не требуется максимальный солнечный свет для выработки электричества. Затем появились гибкие солнечные батареи, что стало существенным прорывом в области альтернативных источников энергии.

Гибкая панель – это полупроводниковый слой, который напылён на тонкую подложку. Современные образцы имеют толщину около 1 микрометра. При этом по производительности они примерно соответствуют обычным кристаллическим моделям. Первоначально такие батареи производились на базе аморфного кремния. Затем стали использовать:

• диселениды медь-индий, медь-галлий;
• теллуриды и сульфиды кадмия;
• полимерные соединения.

Чтобы увеличить эффективность гибких панелей производители используют многослойную конструкцию. В таких полупроводниковых модулях происходит отражение света и его преобразование происходит несколько раз. Современные технологии позволяют выпускать достаточно износостойкие и прочные панели, которые имеют малую толщину и все. Такие солнечные батареи можно складывать, сгибать, сворачивать. Естественно, что это нужно делать «без фанатизма». На грубую силу они не рассчитаны, но поход или туристическую поездку переносят без проблем.

Какие характерные особенности имеют гибкие солнечные модули? Можно назвать следующие:

• Есть возможность использования на криволинейной поверхности;
• Вырабатывают электричество даже в облачную погоду. То есть, имеют высокую общую выработку энергии;
• Эффективны в южных широтах;
• Высокий уровень оптического поглощения лучей солнца. То есть, более полное усвоение и переработка солнечной энергии;
• Хорошо работают в составе мощных гелиоустановок. По этой причине первоначально гибкие панели использовали на крупных гелиостанциях.

Стоит отметить и ещё один важный плюс гибких модулей. Они дешевле, чем кристаллические панели. Это положительно сказывается на конечной цене изделий из них. Не обходится и без недостатков. Гибкие батареи при одинаковой площади с кристаллическими моделями имеют в два большую площадь поверхности. А значит, занимают больше места при размещении.

Гибридная солнечная панель

Стоит отдельно сказать про такую разновидность солнечных панелей, как гибридные. Это название они получили за то, что умеют вырабатывать сразу два типа энергии, тепло и электричество.

Гибридные солнечные панели, ещё называемые PVT, являются соединением фотоэлектрической батареи и коллектора тепла. Этот симбиоз даёт возможность в 2 раза уменьшить площадь развёртывания системы из теплового коллектора и фотоэлектрических батарей на каком-нибудь здании.

Существенный плюс заключается в том, что гибридная панель имеет возможность отбирать избыточное тепло от фотоэлементов. Это обеспечивает теплоноситель в коллекторе. Именно нагрев фотоэлемента уменьшает эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую. В случае гибридной батареи эта проблема частично решается.

На практике гибридные панели пока не получили широкого распространения. В настоящий момент они успешно используются в роли тепловых насосов, нагрева воды в бассейне, аккумулирования тепла скважины и т. п.

https://youtube.com/watch?v=t5Os8yisXI0

Это интересно: Как правильно паять светодиодную ленту — разбираемся детально

Выбор

Одним из важных критериев выбора являются климатические условия местности, в которой будут установлены гелиопанели. Учитывается количество солнечных дней в году и длина самого дня. Исходя из этих данных, определяется мощность электроэнергии, которую должна вырабатывать батарея в час или сутки. Для северных районов подойдет текстурированное стекло, оно эффективно справляется с работой даже в пасмурные дни. Модули из микроморфного кремния не требуют точной ориентации на солнце, их суммарная годовая мощность превосходит другие тонкопленочные батареи. На них часто останавливают свой выбор жители районов с малой освещенностью.

Выбирая модуль для дома, необходимо продумать, какие электроприборы будут востребованы, хватит ли для них мощности предполагаемой покупки.

При покупке учитывается тип конструкции, материал, толщина фотоэлемента, производитель модуля – все это влияет на цену, качество и длительность работы. Не обязательно переплачивать за иностранные бренды, хорошо себя зарекомендовали модули российского производства, ориентированные на наши климатические условия.

Для расчета количества модулей, следует учитывать, что семья из 4 человек, в среднем, потребляет 200–300 кВт электроэнергии в месяц. Солнечные панели вырабатывают с одного квадратного метра примерно от 25 Вт до 100 Вт в сутки. Для полного удовлетворения дома в потребностях электричества, понадобится 30–40 секций. Оснащение солнечными батареями обойдется семье около 10 тысяч долларов. Устанавливать панели следует на южную сторону крыши, куда попадает максимальное количество солнечных лучей.

Чтобы определиться с выбором, следует понять, какой тип модуля больше подходит покупателю:

• Монокристаллические фотоэлементы стоят 1,5 доллара за Вт. Они имеют меньшие размеры и более эффективны, чем другие виды подобных батарей. Их общее покрытие занимает меньше места. Учитывая мощность и качество, лучше сделать выбор в их пользу. Единственным минусом является высокая стоимость.
• Поликристаллические батареи стоят 1,3 доллар за Вт. По мощности они уступают монокристаллическим, но и оцениваются дешевле. Бюджетные возможности привлекают покупателей, к тому же последние разработки подобных батарей сильно приблизили их КПД к монокристаллическим аналогам.

• Солнечные тонкопленочные панели имеют меньше мощности на один квадратный метр, чем предыдущие модели. Ситуацию выравнивает появление на рынке модулей из микроморфного кремния. Они вырабатывают хорошую суммарную мощность за годовой отрезок времени, отлично себя зарекомендовали в работе видимого и инфракрасного спектра. Для них не важна привязанность к солнечным лучам. Срок эксплуатации батарей составляет 25 лет. Модули имеют недорогую технологию производства, это сказалось на их стоимости – 1,2 доллара за Вт.
• Большой интерес представляет собой гибридная панель, так как она генерирует тепловую и электрическую энергию. Конструкция соединяет в себе коллектор тепла и элементы фотоэлектрической батареи.

По описанию солнечных батарей видно, что для территорий с малой освещенностью больше подойдут панели микроморфного кремния, южные районы могут воспользоваться поликристаллическими батареями. Для тех, кто не стеснен материально, отличным выбором станут более мощные монокристаллические фотоэлементы.

Сегодня еще остаются претензии к гибким солнечным панелям, но завтрашний день, несомненно, за ними. Их активное усовершенствование приводит к снижению стоимости, они уверенно вытесняют кристаллические аналоги из промышленной и бытовой сферы деятельности человека.

Как правильно выбрать солнечную панель?

Чтобы правильно выбрать солнечные панели, необходимо обращать внимание на климатические условия, в которых предполагается их использовать. Приобретать подобные источники энергии лучше всего для использования в сухой и солнечной местности, так как это положительно будет влиять на производительность и рентабельность

Ещё необходимо принимать во внимание процентный показатель потребностей в тепле. Отдавать предпочтение стоит тем панелям, которые способны покрыть от 40 до 80%

Если производительность будет ниже, то система солнечных панелей обойдется дорого и не оправдает себя во время использования.

Прежде чем выбрать гибкую панель запишите для себя короткий чек-лист ответов на вопросы

1. Сколько энергии (мощности) вам нужно?
2. Как вы измеряете систему и рассчитываете фактическую мощность, которая вам нужна?
3. Какой у вас бюджет?
4. Нужно ли размещать панель в определённом месте?
5. Это постоянная или временная установка?

Не стоит забывать и про мощностные потребности объекта, который предполагается снабжать энергией посредством солнечных панелей. Если правильно подобрать их с учетом этого фактора, то появится возможность полностью покрыть мощностные затраты при внезапном отключении основного источника электроэнергии.