Солнечные батареи: как это работает

Солнечные батареи уже сейчас используются для питания самой разнообразной техники: от мобильных гаджетов до электромобилей. Как устроены, какими бывают и на что способны современные солнечные батареи, вы узнаете из этой статьи.

История создания

Так исторически сложилось, что солнечные батареи – это уже вторая попытка человечества обуздать безграничную энергию Солнца и заставить ее работать себе на благо. Первыми появились солнечные коллекторы (солнечные термальные электростанции), в которых электричество вырабатывает нагретая до температуры кипения под сконцентрированными солнечными лучами вода.

Солнечная термальная электростанция в испанском городе Севилья

Солнечные же батареи производят непосредственно электричество, что намного эффективнее. При прямой трансформации теряется значительно меньше энергии, чем при многоступенчатой, как у коллекторов (концентрация солнечных лучей, нагрев воды и выделение пара, вращение паровой турбины и только в конце выработка электричества генератором).

Современные солнечные батареи состоят из цепи фотоэлементов – полупроводниковых устройств, преобразующих солнечную энергию напрямую в электрический ток. Процесс преобразования энергии солнца в электрической ток называется фотоэлектрическим эффектом.

Данное явление открыл французский физик Александр Эдмон Беккерель в середине XIX века. Первый же действующий фотоэлемент спустя полвека создал русский ученый Александр Столетов. А уже в двадцатом столетии фотоэлектрический эффект количественно описал не требующий представления Альберт Эйнштейн.

Беккерель, Столетов и Эйнштейн – именно этому «трио» ученых мы обязаны созданием солнечных батарей

 

Принцип работы

Полупроводник – это такой материал, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо наоборот, их не хватает (p-тип). Соответственно, полупроводниковый фотоэлемент состоит из двух слоев с разной проводимостью. В качестве катода используется n-слой, а в качестве анода – p-слой.

Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Именно лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку (в данном случае аккумулятор) и возвращаясь в n-слой.

Схема работы фотоэлемента

Первым в истории фотоэлектрическим материалом был селен. Именно с его помощью производили фотоэлементы в конце XIX и начале XX веков. Но учитывая крайне малый КПД (менее 1 процента), селену сразу же начали искать замену.

Массовое же производство солнечных батарей стало возможным после того как телекоммуникационная компания Bell Telephone разработала фотоэлемент на основе кремния. Он до сих пор остается самым распространенным материалом в производстве солнечных батарей. Правда, очистка кремния – процесс крайне затратный, а потому мало-помалу пробуются альтернативы: соединения меди, индия, галлия и кадмия.

Селен – исторически первый, а кремний – самый массовый материал в производстве фотоэлементов

Понятное дело, что мощности отдельных фотоэлементов недостаточно, чтобы питать мощные электроприборы. Поэтому их объединяют в электрическую цепь, тем самым формируя солнечную батарею (другое название – солнечная панель).

На каркас солнечной батареи фотоэлементы крепятся таким образом, чтобы их в случае выхода из строя можно было заменять по одному. Для защиты от воздействия внешних факторов всю конструкцию покрывают прочным пластиком или закаленным стеклом.

Мобильный телефон Samsung E1107 оснащен солнечной батареей

 

Существующие разновидности

Классифицируются солнечные батареи по мощности вырабатываемого электричества, которая зависит от площади панели и ее конструкции. Мощность потока солнечных лучей на экваторе достигает 1 кВт, тогда как в наших краях в облачную погоду она может опускаться ниже 100 Вт. В качестве примера возьмем средний показатель (500 Вт) и в дальнейших расчетах будем отталкиваться от него.

Наручные часы Citizen Eco-Drive с солнечной батареей вместо циферблата

Самым низким коэффициентом фотоэлектрического преобразования обладают аморфные, фотохимические и органические фотоэлементы. У первых двух типов он равен примерно 10 процентам, а у последнего – всего лишь 5 процентам. Это означает, что при мощности солнечного потока в 500 Вт солнечная панель площадью один квадратный метр будет вырабатывать соответственно 50 и 25 Вт электроэнергии.

Монтаж солнечных панелей на крыше жилого дома

В противовес вышеупомянутым типам фотоэлементов выступают солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников. Коэффициент фотоэлектрического преобразования на уровне 20%, а при благоприятных условиях — и 25% для них привычное дело. Как результат, мощность метровой солнечной панели может достигать 125 Вт.

Гоночный электромобиль Honda Dream на солнечных батареях появился еще в 1996 г.

Конкурировать по мощности с кремниевыми солнечными батареями способны разве что решения на основе арсенида галлия. Используя это соединение, инженеры научились создавать многослойные фотоэлементы с КФП свыше 30% (до 150 Вт электричества с квадратного метра).

Портативная солнечная панель Solarland мощностью 130 Вт и стоимостью $860

Если же говорить о площади солнечных батарей, то существуют как миниатюрные «пластинки» мощностью до 10 Вт (для частой транспортировки), так и широченные «листы» на 200 Вт и более (сугубо для стационарного использования).

Беспилотный самолет, разработанный NASA Ames Research Center, способен на солнечной энергии пролететь от восточного побережья США до западного

На работу солнечных батарей может негативно влиять ряд факторов. К примеру, с ростом температуры снижается КФП фотоэлементов. Это при том, что солнечные батареи как раз-то и устанавливают в жарких солнечных странах. Получается своеобразная палка о двух концах.

Солнечную батарею Voltaic можно носить у себя за спиной

А если затемнить часть солнечной панели, то неактивные фотоэлементы не только прекращают вырабатывать электричество, но и становятся дополнительной, зловредной нагрузкой.

«Солнечное дерево – культурный и одновременно научный символ австрийского городка Глайсдорф

 

Крупнейшие производители

Лидерами глобального производства солнечных батарей являются компании Suntech, Yingli, Trina Solar, First Solar и Sharp Solar. Первые три представляют Китай, четвертая – США, а пятая, как нетрудно догадаться, является подразделением японской корпорации Sharp.

Гольфкар на солнечных батареях – бесшумное и экологически чистое средство передвижения

Американская компания First Solar не только производит солнечные батареи, но и принимает непосредственное участие в проектировании и строительстве солнечных электростанций. Мощнейшая в мире СЭС Агуа-Калиенте, которая находится в штате Аризона, США – дело рук инженеров First Solar.

Крупнейшую же украинскую СЭС «Перово» строила и снабжала солнечными панелями австрийская компания Activ Solar.

Китайская же компания Suntech прославилась тем, что готовила к летней Олимпиаде-2008 футбольный стадион под названием «Птичье гнездо» в Пекине. Вырабатываемая на протяжении дня с помощью солнечных батарей электроэнергия аккумулируется, а затем используется для освещения стадиона, полива травы на футбольном поле и работы телекоммуникационного оборудования.

Национальный стадион в Пекине густо усеян солнечными батареями производства Suntech

 

Выводы

Еще два десятилетия назад диковинкой казались микрокалькуляторы с фотоэлементами, что позволяло не менять в них «батарейку-таблетку» годами. Сейчас же мобильные телефоны со встроенной в заднюю крышку солнечной панелью никого не удивляют. А ведь это мелочь в сравнении с автомобилями и самолетами (пусть и беспилотными), которые научились передвигаться при помощи одной лишь солнечной энергии.

Будущее солнечных батарей видится точно таким же светлым, как само солнце. Хочется верить, что именно солнечные батареи позволят наконец-то вылечить смартфоны и планшеты от «розеткозависимости».

Как работают солнечные батареи

Популярным способом получения альтернативной энергии является установка и эксплуатация солнечных станций. Системы состоят из солнечных батарей, преобразователей, аккумуляторов и некоторых других элементов. Главная задача такого комплекта получить солнечную энергию, трансформировать ее в электрический ток, накопить электричество и при необходимости отдать его на точку забора – розетку, выключатель.

И хоть все составляющие системы крайне важны, большинству потребителей, которые хорошо помнят уроки физики из школьной программы, понятно, как каждый элемент работает. А как работает солнечная батарея? Этот вопрос интересует многих потребителей, кто намерен установить панели на крышу или на специальные столы наземным способом. Во всей системе, наверное, именно это конструктивное звено остается менее понятным для большинства пользователей.

Чтобы прояснить этот момент, эксперты «GREEN SYSTEM» решили рассказать простыми словами, как работают солнечные батареи. Если после прочтения статьи у вас останутся вопросы, специалисты компании готовы ответить на них в телефонном режиме или при личной встрече в нашем офисе. Приглашаем к сотрудничеству частных лиц, фермерские хозяйства, коммерческие организации и предприятия промышленности. Мы проектируем, устанавливаем и обслуживаем солнечные станции нужной мощности с учетом потребностей и возможностей конкретного объекта. Ну а теперь перейдем к ответу на вопрос: «Как работает солнечная батарея?».

Комплектация

Основными компонентами батареи являются солнечные панели, состоящие из кремниевых фотоэлементов. Из монокристаллического или поликристаллического кремния делаются тончайшие пластины, которые и являются элементами, способными «вбирать» солнечный свет для его последующего преобразования в традиционное электричество. Фотоэлементы соединяются параллельно-последовательным способом друг с другом в единую цепь. Модуль дополнен алюминиевой рамкой, проводами, распределительной коробкой. Все перечисленные детали соединены в один блок герметиками.

Интересная информация: Кремниевые пластины, к сожалению изобретателей, сильно отражают свет. Соответственно часть солнечной энергии отражается, не используется модулем. Для уменьшения потерь фотоэлектрические пластинки покрываются антибликовым слоем. А чтобы предотвратить повреждение пластины из кремния от ветра, дождя, града, сверху модуль закрывается ударопрочным стеклом.

При этом работа солнечных панелей сама по себе не даст никакого результата, если блок не будет подключен к следующим дополнительным компонентам:

• Аккумулятор. Его роль накопительная. Аккумулятор накапливает энергию, которую получили и преобразовали фотоэлементы. Установка АКБ позволяет использовать электричество тогда, когда возникает потребность в нем. Аккумулятор обеспечивает здание или оборудование электроэнергией в темное время суток и в пасмурную погоду, если не хватает энергии от фотомодулей. Нужно понимать, что в АКБ заряд идет постоянным током большого ампеража и низкого вольтажа. Для преобразования такого тока в переменный 200 вольт нужны специальные устройства.
• Контроллер заряда. Критически важно обеспечить правильную нагрузку и вольтаж для заряда АКБ. Часто контроллеры заряда входят в состав гибридных инверторов или блока литий ионных батарей. Это BMS контроллеры
• Инвертор-преобразователь. Важнейший элемент системы, задача которого состоит в преобразовании постоянного тока, поступающего контроль заряда АКБ, контроль нагрузки потребителей, преобразование гармоник, всплесков и других характеристик сети (у электрического тока с нашей с вами сети есть еще ряд параметров и характеристик кроме 200 вольт и 50 герц)в переменный заряд.
• Стабилизатор напряжения. Этот компонент отвечает за поддержание оптимальных показателей напряжения в сети. 

Итак, без любого из перечисленных элементов, система работать не сможет. А чтобы она не просто работала, а демонстрировала надежность и стабильность, компоненты должны быть грамотно подобраны. Их характеристики должны соответствовать общим расчетам, поэтому проектирование системы нужно доверять профессионалам, работающим в данной сфере.

Кристаллы фотоэлементов: виды и различия

Уже упоминалось, что пластины солнечных панелей могут быть монокристаллическими и поликристаллическими. Чем они отличаются?

• Монокристаллические фотоэлементы изготавливаются из пластин кремния, которые, в свою очередь, представляют собой тончайшие срезы кремниевого кристалла, выращенного из очищенного сырья. Они демонстрируют высокий КПД до 22%. Первые фотомодули в лабораториях были из селена, который давал КПД около 1% !!! Вот такой путь от лаборатории до эффективной технологии прошли фотомодули за почти полвека Панели с монокристаллическими элементами достаточно дорогие, что объясняется дороговизной производственного процесса.
• Поликристаллические фотоэлементы производятся путем расплавления кремниевого сырья и его постепенного охлаждения. Степень очистки кремния в них ниже, производственный процесс – проще, чем в первом случае. Но и результат, который можно получить при использовании таких фотоэлементов, не такой высокий. КПД достигает всего 15%.

Итак, фотоэлектрические элементы выбранного типа в нужном количестве соединяется между собой последовательно-параллельно. Такой принцип соединения позволяет получить высокие показатели напряжения и тока. Кроме того, при выходе одного элемента из строя, цепь сохраняет работоспособность, и панель может функционировать без сбоя.

Интересно знать: Монокристаллические и поликристаллические кремниевые панели не единственные доступные. Это самые популярные варианты, которые наиболее часто используются в солнечной промышленности. Но ученые, неудовлетворенные сложность выращивания кристаллов и недостаточно высоким КПД, продолжают искать им альтернативу. К примеру, конкурентами кремниевых батарей можно считать тонкопленочные кремниевые, кадмиевые фотоэлементы, пленки селенида меди-индия-галлия. Хоть КПД у этих устройств также варьируется на показателе 10-11%, но есть у них свои плюсы. Тонкая пленка эластична, долговечна, может наноситься на поверхности с неправильной геометрией. И, как показывают тесты, пленочные фотоэлектрические элементы лучше принимают лучи в пасмурную погоду. Когда речь идет о небольших объемах необходимой альтернативной энергии, такой вариант может быть рассмотрен.

Крупнейшими производителями солнечных панелей являются Китай и США. Китайские батареи отличаются конкурентной ценой. При этом они полностью соответствуют мировым стандартам, сертифицированы, надежны и долговечны.

Принцип работы солнечных панелей

Теперь, когда мы разобрались, что такое солнечная панель, рассмотрим принцип работы солнечных батарей. Важно отметить, что в конструкции модулей есть два вида полупроводников:

• n-слой с избыточным числом электронов;
• p-слой с дефицитом электронов.

При попадании солнечных световых потоков на n-слой его электроны высвобождаются из атомов и под действием электрического поля перемещаются на p-слой, где изначально наблюдалась их недостача. После перенаправления выработанной энергии на АКБ они вновь перемещаются на первый слой, где для них есть свободное место. Направленное движение электронов – это и есть электрический ток. Процесс не прекращается, пока аккумулятор не наберет заряд. Мощность солнечной панели длиной в метр может достигать 125 Вт.

Интересно знать: Солнечная панель может иметь многослойное строение или конструкцию с несколькими p-n переходами. Многослойные блоки улавливают солнечные потоки разного спектра, лучи разной длины. Пока такие вариации используются только в космической сфере, но скоро могут появиться и в широком доступе в солнечной промышленности. Их конструктивная особенность заключается в наличии специальных призм, разделяющих разные световые потоки. Что касается эффективности, то трехслойные панели демонстрируют КПД до 49%, а модели с бесконечным числом слоев имеют КПД до 68%.

 

Важная информация: Так как батарея устанавливается, чтобы получать и преобразовывать энергию солнца, то вполне понятно, что панели монтируются на площадках, где открыт доступ к солнечному свету. Если часть конструкции оказывается затемненной, это может вызвать падение выходного напряжения. Поэтому место установки тщательно продумывается, убираются все, что может создать тень. Например, крона деревьев формируется так, чтобы она не отбрасывала тень на панели.

Какие плюсы получает владелец солнечных батарей

Солнечные батареи – это современные технологии. И все же. Какие преимущества получает владелец станции? Даже одна батарея позволяет:

• существенно экономить на электроэнергии, ведь ее мощности хватит, чтобы частично или полностью отказаться от тока из центральных электросетей;
• окупаемость солнечных станций 3-5 лет, далее владелец получает чистую прибыль;
• при правильно спроектированной системе энергии солнца после трансформации в электрический ток может хватать, чтобы отапливать дом и подогревать горячую воду;
• излишки электричества можно продавать по «Зеленому тарифу».

Интересно знать: Многие люди уверены, что зимой солнечная батарея не будет эффективной, так как световой день короткий, энергии солнца гораздо меньше, чем летом. Но не стоит забывать, что снег прекрасно отражает лучи. Поэтому на панели, при правильной их установке, будет попадать часть отраженного света. И мощность модуля сократиться в зимнее время незначительно. С 2019 года производители начали выпускать двухсторонние фотомодули, которые эффективно улавливают отраженное излучение. КПД таких модулей выше на 5-7 % по сравнению с обычными.

В рамках данного материала эксперты компании GREEN SYSTEM рассказали, из чего состоят солнечные панели, как работают батареи. В офисе компании в г. Запорожье бул Парковый 1ф оф 4 вы сможете увидеть образцы солнечных панелей различных типов, комплектующие солнечных электростанций. Действует реальная модель автономной СЭС. Мы покажем аналитику и статискиу по работающим объектам, построенным нашей компанией, расскажем о ньюансах этих объектов и о том как строить эффективные солнечные станции.

Если вы хотите узнать больше про возможные выгоды от установки солнечных батарей или про принцип действия солнечной панели, свяжитесь с нашим менеджером по телефону. Специалист даст консультацию в телефонном режиме или назначит встречу на удобное для вас время.

Как работают солнечные батареи ночью и в пасмурную погоду

Многими движет желание дистанцироваться от общих электросетей и стать независимыми , а также сэкономить значительные средства на оплате квитанций за электроэнергию. Российское правительство разрабатывает ряд мер, способствующих распространению альтернативной энергетики в нашей стране. Готовиться законопроект, согласно которому, излишки можно продавать в государственные энергетические компании. Ведущие европейские страны давно ведут грамотную политику в новой для нас области и уже добились определенных успехов. Жители Германии, Швеции, Австралии могут не только пользоваться собственными источниками, но и продавать.

Принцип работы:

• лучи падают на поверхность,
• происходит поглощение света,
• он преобразуется в электрический ток.

Чем больше попадает на поверхность лучей, тем выше КПД. А если их нет? Получается, и панель не работает и энергия не вырабатывается. Это не так.

Эффективность в пасмурную погоду

В плохую погоду гелио-модули способны вырабатывать электроэнергию. Дело лишь в том, насколько темно на улице. Ведь панели способные поглощать прямые лучи и рассеянный свет.

Ясно, что коэффициент полезного действия снизится, но не настолько критично, как многим кажется. В зависимости от степени облачности в среднем он снижается на 10-25%.

Хочется отметить деталь, которую обязательно нужно учитывать, при установке. Крыша дома, где планируется монтаж гелио-системы, не должна находиться в тени. Следует избавиться от всего, что даёт эту тень: лишних деревьев, построек, вышек. Либо перенести установку на другое место. Это даст вам более эффективную работу всей мини-электростанции.

Что касается осадков в виде дождя и снега, они несколько снижают КПД, но в целом глобально не влияют на работу. Если идёт дождь, но солнце, панели будут стабильно накапливать энергию. При эксплуатации зимой, важно грамотно произвести монтаж установки, правильно выставить наклон (не забываем, зимой солнце расположено несколько ниже, чем летом), а также регулярно производить очистку от снега и наледи. 

Работают ли батареи ночью?

Понятно, что солнца нет, а, значит, батарея не вырабатывает. Ночью модули не работают. Здесь есть два варианта пути: либо, как только батарея переходят в режим ожидания, вы должны будете подключаться к общей сети и брать энергию оттуда. Либо использовать аккумуляторы, способные накапливать, когда светло, а потом отдавать ее.

Таким образом, в ночное время, зимой, в любой момент, когда света не хватает для получения достаточного количества энергии, вам на помощь придут аккумуляторы, где хранится запас. Использование аккумуляторов также целесообразно в случае постоянных отключений электроэнергии.

Использование в других странах

Вы не поверите, но, например, Германия является достаточно пасмурной страной. Однако, именно там в 2006 году открылся самый большой в мире парк электростанций. Во многих городах США преобладает пасмурная дождливая погода. Это и Сан-Франциско, и Сиэтл, и Бостон. Но солнечная энергетика там продолжает развиваться и не сдаёт свои позиции.

Кроме того, не стоит забывать и о том, что в области солнечной энергетики постоянно происходит развитие, совершенствуются технологии, модули год от года становятся всё более эффективными, показывают наилучший КПД. А, кроме того, снижается их стоимость, что также сказывается на активности населения по их установке и эксплуатации.

Многие ученые занимаются разработкой модулей, которые будут даже ночью поглощать. Пока ведутся многочисленные разработки, ставятся эксперименты, но, будем надеяться, в скором времени они появятся на рынке.

Солнечные батареи зимой — насколько эффективно и выгодно их использовать в России?

Солнечные батареи могут быть великолепной частью вашего дома. Они определённо позволяют экономить вам деньги в течение длительного срока и постоянно могут снижать ваши счета за электроэнергию. Мы все знаем, что солнечные батареи преобразуют энергию Солнца, однако зимой солнечных дней в России немного, поэтому закономерно возникает вопрос: сколько энергии выработают солнечные батареи или коллекторы зимой?

Нужно понимать, что влияние низких температур на фотоэлектрические батареи и на солнечные тепловые коллекторы разное.

Солнечным фотоэлектрическим батареям нужен свет, а не тепло

Многие думают, что в жаркий солнечный день солнечные батареи вырабатывают больше энергии, чем в морозный солнечный день. Это не так. Для выработки электричества солнечных батареям нужен свет, а вот температура наоборот снижает их эффективность. Поэтому яркое солнце и низкая температура — идеальные условия для солнечных батарей. Конечно, в пасмурную погоду панели будут вырабатывать меньше света чем обычно, но в целом редко бывают случаи, когда в правильно рассчитанной системе аккумуляторная батарея на протяжении дня не успевает заряжаться. Зато в солнечную морозную погоду батареи будут очень эффективны.  

Чем ниже солнце над горизонтом, тем меньше энергии достигает солнечных панелей, т.к. солнечным лучам нужно пройти толщу атмосферы. Зимой Солнце всегда низко, а дни короче, поэтому энергии от него можно получить гораздо меньше, чем летом.  Зимой очень важен уровень наклона солнечных батарей. Часто выставляется универсальный угол, на целый год. Про исследование влияния угла наклона на эффективность работы солнечных батарей см. статью «Оптимальный угол установки солнечной батареи для максимальной выработки энергии в северных широтах«

Продуктивность солнечных панелей зимой может падать от 2 до 8 раз в зависимости от региона, чем южнее, тем продуктивность выше. Поэтому чем больше площадь самих батарей, тем больше энергии они смогут собирать. Если летом для работы холодильника, компьютера и освещения дома нужен 1 кВт энергии (это 4 панели по 250 ватт), то зимой для надежности лучше запастись 2 кВт.

Насколько меньше? Расчёты показывают, что система, ориентированная строго на юг и производящая около 300 кВт*ч в июне и июле, будет производить около 50-60 кВт*ч в декабре и январе, т. е. примерно в 5-6 раз меньше, чем летом. Это при условии, что солнечные панели очищены от снега. Если ваши панели будут занесены снегом, то солнечная батарея вообще не будет вырабатывать электроэнергию. Для более точной оценки выработки энергии солнечной фотоэлектрической системы при разных углах наклона можно использовать калькулятор PVWatts на сайте NREL. Калькулятор хорош тем, что рассчитывает выработку энергии с учетом потерь на загрязнение модулей, их нагрев, потерь в проводах, инверторе и проч.

Ниже пример расчёта для Самары для солнечной электростанции мощностью 1 кВт.

Пример расчета выработки энергии для солнечной фотоэлектрической станции мощностью 1 кВт, при угле наклона панелей 38 градусов, потерях в системе 15% и стоимости электроэнергии 5 руб/кВт*ч.

Работают ли солнечные коллекторы зимой?

Мы выше показали, что фотоэлектрические батареи будут производить энергию и зимой, хотя и намного меньше, чем летом. А будут ли солнечные коллекторы греть зимой воду?

Ожидаемо, что зимой мы сможем получить от солнечных коллекторов гораздо меньше тепловой энергии, чем летом. И это связано не только с меньшим приходом солнечной энергии, а также и с тем, что зимой больше потери тепла как в самом коллекторе, так и в трубах, соединяющих их с баком-аккумулятором. 

Вакуумные солнечные коллекторы в среднем могут производить до 60% тепловой энергии, которая требуется вам для горячего водоснабжения. Можно получить около 90% требуемого для ГВС количества  энергии в летние месяцы, и около 25% — зимой. Для плоских солнечных коллекторов цифра летом будет примерно такая же, но вот зимой доля энергии для ГВС от Солнца будет гораздо меньше, и связано это с бОльшими теплопотерями плоских коллекторов при низких температурах воздуха.

Для солнечных коллекторов важно следить, чтобы трубки, по которым проходит жидкость зимой не замерзала. Хотя номинально они могут нагревать воду и при -30 градусах до 10-15 градусов и дальнейший нагрев делают уже другие приборы.

Для работы в круглогодичном режиме для минимизации потерь тепла в элементах системы нужно устанавливать сплит системы с размещением бака-аккумулятора в доме. Тогда потери будут только в трубопроводах, расположенных снаружи; их нужно максимально утеплить, чтобы тепло, выработанное солнечным коллектором, дошло до бака-теплоаккумулятора.

Теплопотери через солнечный коллектор и трубопроводы — не единственная проблема при работе солнечных коллекторов зимой. В сильные морозы теплоноситель (обычно специальный «солнечный» на основе пропиленгликоля) может загустеть до такой степени, что циркуляционный насос не сможет продавить его по трубам. В нашей практике даже были случаи, когда на морозе в солнечную погоду вакуумные коллекторы закипали из-за того, что насос не мог прокачать загустевший в трубах теплоноситель. Это нужно учитывать при проектировании и эксплуатации солнечной системы теплоснабжения.

В отличие от фотоэлектрических панелей, которые на морозе работают лучше, а тепловых потерь на пути от панелей до инвертора практически нет, у солнечных тепловых систем есть потери энергии, причем они тем больше, чем холоднее.

Можно ли оптимизировать солнечные панели для работы зимой?

Зимой оптимальный угол наклона к горизонту как солнечных батарей, так и солнечных коллекторов будет больше, из-за того, что Солнце зимой более низко над горизонтом. Для того, чтобы получать максимальное количество энергии и зимой, нужно менять угол наклона солнечных батарей или коллекторов. В нашем ассортименте есть специальные монтажные конструкции для солнечных батарей, которые позволяют менять угол наклона в пределах 15-30 или 30-60 градусов. Еще больше энергии можно получить при помощи трекеров, которые следят за ходом Солнца в течение дня. Однако, большинство систем установлены с фиксированным углом наклона (особенно это относится к солнечным коллекторам, т.к. у них сложнее менять угол наклона из-за трубопроводов). Значения углов наклона для максимальной выработки энергии в различные сезоны года и в среднем за год рассматривается в статьях  Угол наклона и направление и Натурные испытания оптимального угла установки СБ.

Калькулятор PVWATTS также дает интересные результаты для различных углов наклона. Считается, что оптимально устанавливать солнечные панели под углом, равным широте местности. Действительно, для более равномерного распределения выработки энергии при не очень большом снижении годовой выработки этот угол является оптимальным. Если же нужно получить максимальную генерацию энергии в течение года, то угол наклона должен быть примерно «широта местности — 15 градусов«. То есть для Московской области угол наклона для максимальной выработки равен 38-42 градуса.

Влияние снега на работу солнечных батарей

Проблемы, которые может причинить снег солнечным батареям, обычно минимальны. Однако, нужно обратить внимание на следующие моменты, если в вашем регионе снежные зимы и у вас на крыше установлены солнечные батареи:

Чистка солнечных батарей от снега — при правильной установке занимает не больше времени, чем расчистка от снега дорожек

1. Все солнечные панели рассчитаны выдерживать определенный вес, и снеговая нагрузка обычно гораздо меньше максимально допустимой. Все солнечные панели тестируются под давлением на производстве, чтобы быть уверенным в их сроке службе и качестве. Посмотрите на характеристики солнечной панели, обычно в спецификации указывается максимальный вес, который может выдержать солнечная панель.
2. Если снег закрывает солнечные панели, они не могут производить электричество — но для решения этой проблемы достаточно почистить солнечную батарею специальным оборудованием. Солнечным панелям нужен солнечный свет, чтобы производить электроэнергию. В большинстве случаев солнечные панели устанавливаются под определенным углом, который обеспечивает естественный сход снега с солнечных панелей. Вы можете ускорить этот процесс при помощи ручной очистки снега специальными щетками, которые не повреждают и не царапают солнечные панели.
3. Морозная солнечная погода повышает выработку энергии солнечными батареями.  Пока светит солнце на панели, они вырабатывают электроэнергию, зимой даже лучше, чем летом. Это значит, за 1 час солнечной погоды ваши солнечные панели зимой выработают больше энергии, чем за тот же час, но летом. Общее количество энергии, конечно же, будет меньше, потому что зимой день намного короче, чем летом, и солнечных дней меньше. 

Можно ли надеяться на солнечные батареи зимой?

К сожалению, солнечные батареи и коллекторы не смогут обеспечить вас достаточным количеством энергии в зимнее время. Но некоторые системы работают на удивление эффективно и зимой.

Не надо надеяться на то, что солнечные батареи или коллекторы обеспечат ваши потребности в горячей воде или отоплении, но они помогут существенно сэкономить вам на счетах за электричество. Настолько, что ваша система окупится менее, чем за 10 лет. А если вы не подключены к электросетям и используете генератор для получения электричества, то фотоэлектрическая система окупится за срок от нескольких месяцев до 2-3 лет в зависимости от стоимости топлива и ваших затрат на капитальный ремонт или замену топливного генератора.

Даже с учетом того, что зимой на большей части России приход солнечной радиации снижается, вложения в солнечную энергосистему продолжает оставаться доходным. Более того, есть регионы, где приход солнечной радиации зимой даже больше, чем летом (например, Дальний Восток). В любом случае, солнечные батареи позволяют экономить на платежах за электроэнергию круглый год. 

Эта статья прочитана 41441 раз(а)!

Продолжить чтение

• 73

  Классификация солнечных фотоэлектрических электростанций — Автономные, соединенные с сетью, резервные. Солнечные батареи в системах электроснабжения.

• 69

  Фотоэлектрические комплекты: Состав Для того, чтобы использовать солнечную энергию для питания ваших потребителей, одной солнечной батареи недостаточно. Кроме солнечной батареи нужно еще несколько составляющих. Типичный состав автономного фотоэлектрического комплекта следующий: фотоэлектрическая батарея контроллер заряда аккумуляторной батареи аккумуляторная батарея провода, коннекторы,…

• 64

  Преимущества использования солнечных батарей в автономных и резервных системах электроснабжения Очень часто приходится сталкиваться с мнением, что применять солнечные батареи нецелесообразно, что они дороги и не окупаются. Многие думают, что гораздо легче поставить бензогенератор, который будет обеспечивать энергией ваш дом.…

• 62

  Автономные фотоэлектрические энергосистемы Типы фотоэлектрических систем описаны на странице Фотоэлектрические системы. Рассмотрим более подробно один из видов — автономную ФЭС. Наиболее простая солнечная электростанция имеет на выходе низкое напряжение постоянного тока (обычно 12 или 24В). Такие системы применяются для обеспечения…

• 60

  Есть ли выгода от приобретения солнечных батарей? Узнайте, когда ваши вложения окупятся и начнут приносить прибыль Автор: Каргиев В.М., к.т.н. Ссылка на источник при перепечатке обязательна. Солнечные батареи часто рекламируются как способ сэкономить электроэнергию и сократить счета на электричество. Это…

• 57

  Влияние препятствий солнечным лучам на выработку энергии солнечными панелями Только малая доля солнечного излучения достигает поверхности земли 1.прямая  2.поглощение   3.отражение  4.непрямая Солнечный свет проходит свой путь от Солнца до Земли по прямой линии. Когда он достигает атмосферы, часть свет а преломляется, а…

Срок службы солнечных батарей • Ваш Солнечный Дом

Солнечные батареи были испытаны в полевых условиях на многих установках. Практика показала, что срок службы солнечных батарей превышает 30 лет. Фотоэлектрические станции, работающие в Европе и США около 25 лет, показали снижение мощности модулей примерно на 10%. Таким образом, можно говорить о реальном сроке службы солнечных монокристаллических модулей 30 и более лет. Поликристаллические модули обычно работают 20 и более лет. Модули из аморфного кремния (тонкопленочные, или гибкие) имеют срок службы от 7 (первое поколение тонкопленочных технологий) до 20 (второе поколение тонкопленочных технологий) лет.

Солнечные модули обычно деградируют быстрее в первые 2 года эксплуатации. Тонкопленочные модули теряют от 10 до 30% мощности в первые 2 года эксплуатации, поэтому обычно новые они имеют запас мощности около 15-20%. Около 90% рынка фотоэлектрических модулей в настоящее время составляют кристаллические кремниевые модули, т. к. их деградация гораздо меньше, а срок службы — больше, чем у других типов солнечных модулей (см. таблицу ниже).

Как быстро солнечные панели деградируют/теряют свою эффективность?

Типичная деградация мощности солнечных панелей составляет 0.5% в год. Как указывалось выше, тонкопленочные солнечные панели (a-Si, CdTe и CIGS) деградируют быстрее, чем моно и поликристаллические панели. Ниже приведена таблица с данными по деградации солнечных панелей, произведенный до 2000 года и после 2000 года. :

Тип солнечного элемента	Потеря мощности за год, %
Произведены:	до 2000 г.	после 2000 г.
Аморфный кремний (a-Si)	0.96	0.87
Теллурид кадмия (CdTe)	3.33	0.4
Селенид медь-индий-галлий (CIGS)	1.44	0.96
Монокристаллический кремний (mono-Si)	0.47	0.36
Поликристаллический кремний (poly-Si)	0. 61	0.64

Данные взяты из  Photovoltaic Degradation Rates — An Analytical Review NREL

Каков ожидаемый срок службы солнечных панелей?

Производители солнечных батарей гарантируют работу солнечных модулей в течение 25 лет (для солнечных панелей с защитной пленкой) или даже 30  лет (для модулей с двойным стеклом), при этом снижение мощности не будет превышать 20% к концу этого срока.

Многие производители дают гарантию на свои модули на период от 10 до 25 лет. При этом они гарантируют, что мощность модулей через 10 лет снизится не более, чем на 10%. Гарантия на механические повреждения дается обычно на срок от 1 до 5 лет.

Для более подробной информации о гарантиях на солнечные батареи, см. Solar Panel Warranty Comparison.

 

Наиболее богатым опытом эксплуатации обладают кристаллические модули. Их начали устанавливать еще 50-х годах прошлого века, а массовое использование началось в конце 1970-х. Поэтому именно о долговечности таких модулей уже можно делать какие-то выводы.

Расчетный срок службы кристаллических модулей обычно 30 лет. Производители делают ускоренные тесты по эксплуатации модуля для того, чтобы оценить его реальный срок службы. Сами солнечные элементы, используемые в солнечных модулях, имеют практически неограниченный срок службы и показывают отсутствие деградации по прошествии десятков лет эксплуатации. Однако, выработка модулей со временем падает. Это результат 2 основных факторов — постепенное разрушение пленки, используемой для герметизации модуля (обычно используется этиленвинилацетатная пленка — ethylene vinyl acetate; EVA) и разрушение задней поверхности модуля (обычно поливинилфосфатная пленка), а также постепенное замутнение прослойки из EVA пленки, расположенной между стеклом и солнечными элементами.

Герметик модуля защищает солнечные элементы и внутренние электрические соединения от воздействия влаги. Так как практически невозможно полностью защитить элементы от влаги, модули на самом деле «дышат», но это крайне трудно заметить. Ультрафиолет и перепады температур постепенно разрушает герметик, защищающий от влажности элементы и электрические соединения. Влага, попавшая внутрь, выводится наружу днем, когда температура модуля возрастает. Солнечный свет постепенно разрушает герметизирующие элементы за счет ультрафиолетового излучения, и они становятся менее эластичными и более податливыми на механические воздействия. Со временем, это приводит к ухудшению защиты модуля от влаги. Влага, попавшая внутрь модуля, ведет к коррозии электрических соединений, увеличению сопротивления в месте коррозии, перегреву и разрушению контакта или к уменьшению выходного напряжения модуля.

Второй фактор, уменьшающий выработку модуля — это постепенное уменьшение прозрачности пленки между стеклом и элементами. Это уменьшение не заметно невооруженным глазом, но ведет к снижению мощности модуля за счет того, что меньше света попадает на солнечные элементы. 

Что будет с моими солнечными батареями после 25 лет эксплуатации?

Рекомендуем почитать по теме:
Руководство покупателя солнечных батарей
Основы фотоэнергетики

Честно говоря, мы не знаем. До сих пор нет достаточных статистических данных по этому вопросу, т.к. фотоэнергетика — довольно молодая отрасль, и подавляющее большинство модулей, находящихся сейчас в эксплуатации. сделаны менее 10 лет назад. Однако, те данные, которые существуют, позволяют говорить о том, что солнечные батареи будут работать гораздо дольше обещанных производителями 25 лет:

• Солнечная панель  33W  (Arco Solar 16-2000) на самом деле имеет лучшие показатели, чем обещаны в ее спецификациях через 30 лет работы.^[2]
• Первая в мире солнечная панель продолжает работать уже 60 лет.^[3]
• Kyocera отчиталась о солнечных установках, которые продолжают успешно и надежно работать через 30 лет эксплуатации.

Максимальное ухудшение обычно гарантируется производителями на уровне не более 20% за 25 лет. Однако измерения, проведенные на реально работающих с 1980 годов модулей показывают, что их выработка уменьшилась не более, чем на 10%. Очень многие из этих модулей и до сих пор работают с заявленными при производстве параметрами (т. е. нет деградации). Поэтому можно смело говорить, что модули будут работать не менее 20 лет, и с высокой вероятностью обеспечат высокие показатели и через 30 лет с момента начала работы.

Современные технологии производства солнечных панелей существенно улучшены, и солнечные панели, которые продаются сейчас еще более надежны, стабильны  и эффективны.

Все это означает, что если при расчетах окупаемости солнечных энергоустановок был принят срок службы солнечных панелей 20 лет, то далее они будут генерировать электрическую энергию бесплатно.

Мы уверены, что качественные солнечные панели будут работать генерировать электроэнергию и через 30 – 40 лет после установки.

 

Что можно сделать для увеличения срока службы солнечных панелей?

• Избегайте физических повреждений панели (т.е. падения деревьев, веток, срыва ветром, царапин на модуле). Чем больше царапин на поверхности модуля, тем меньше его эффективность. В самом плохом варианте влага и вода может попасть между стеклом и защитной пленкой и привести к короткому замыканию и/или коррозии контактов солнечных элементов.
• Регулярное обслуживание и чистка очень важны. См.  Best Way to Clean Solar Panels.
• Чем тяжелее климатические условия, в которых работают солнечные панели, тем быстрее они будут деградировать. Поэтому, в некоторых случаях имеет смысл устанавливать ветрозаграждающие конструкции.

Какой срок службы имеют другие компоненты солнечной энергосистемы?

Другие компоненты системы имеют различные сроки службы: аккумуляторные батареи имеют срок службы от 2 до 15 лет (в среднем 4-10 лет), а силовая электроника — от 5 до 20 лет (в среднем 10-12 лет) 

Эта статья прочитана 43497 раз(а)!

Продолжить чтение

• 73

  Как правильно выбирать солнечные элементы и модули Вы собрались купить солнечную батарею? В первую очередь, нужно обратить внимание на технические параметры солнечного модуля. Основные из них перечислены ниже. Также, нужно проверить качество изготовления и отсутствие визуальных дефектов на солнечных элементах,…

• 68

  Что такое солнечные элементы, модули, инверторы, контроллеры, электростанции? Солнечная энергетика становится мейнстримом современной энергетики, и с каждым годом вызывает все больший интерес. Фотоэлектрическая энергетика — новая отрасль, которая стремительно развивается и уже сейчас современный мир невозможно представить без солнечных фотоэлектрических…

• 67

  Почему нужно устанавливать солнечные батареи? За последние года стоимость солнечных фотоэлектрических панелей уменьшилась в несколько раз. Снижается также стоимость комплектующих для солнечной энергосистемы. Низкая стоимость солнечных батарей, а также увеличивающаяся стоимость на энергоносители (в т.ч. и на электроэнергию от сети)…

• 65

  Китайские солнечные модули — как не ошибиться при покупке? В последнее время на рынке появилось много предложений по китайским солнечным модулям. Действительно, в Китае сейчас производится бОльшая часть всех производимых в мире солнечных модулей. Есть среди них и качественные, отвечающие…

• 64

  Покупать и устанавливать солнечные батареи зимой дешевле, чем летом Все больше домовладельцев открывают для себя преимущества установки солнечных батарей для полного или частичного электроснабжения в загородном доме. Но вот что многие еще не до конца понимают это то, что зима…

• 62

  Главные 7 мифов о солнечных батареях По разным причинам в интернете есть много неправильной информации о недостатках или проблемах солнечных батарей. Некоторые заявления о солнечной энергетике приносят вред делу борьбы с изменением климата и за уменьшение токсичных выбросов. Большая часть…

Устройство солнечной батареи. Теория

Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs). Ниже будут даны краткие описания каждой из них.

Солнечные батареи основе кремния

Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний. В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями. Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе. Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами Si.

Различают два основных типа кремниевых СБ – на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического. В первом случае используется высококачественный (и, соответственно, более дорогой) кремний выращенный по методу Чохральского, который является стандартным методом для получения кремниевых пластин-заготовок для производства микропроцессоров и микросхем. Эффективность СБ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%. Не так давно, фирма Panasonic заявила о начале промышленного выпуска СБ с эффективностью 24,5% (что вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению ~30%).

Во втором случае для производства СБ используется более дешевый кремний произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле (block-cast), специально разработанного для производства СБ. Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов (типичные размеры 1-10мм) разделенных границами зерен. Подобные неидеальности кристаллической структуры (дефекты) приводят к снижению эффективности – типичные значения эффективности СБ из mc-Si составляют 14-18%. Снижение эффективности данных СБ компенсируется их меньшей ценой, так что цена за один ватт произведенной электроэнергии оказывается примерно одинаковой для солнечных панелей как на основе c-Siтак и mc-Si.

Тонкопленочные солнечные панели

Возникает вопрос – зачем разрабатывать другие типы модулей, если солнечные панели на основе моно- и мультикристаллического кремния уже созданы и показывают неплохие результаты? Очевидный ответ — чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными c-Si и mc-Siсолнечными батареями.

Дело в том, что обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, перечисленными выше, обладают и рядом недостатков. Кемний из-за своих особых электрофизических свойств (непрямозонный полупроводник) обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн. Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.

В то же время, прямозонные полупроводники на вроде GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2, и даже некоторые модифицированные формы Si, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон. Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника. Еще одной положительной чертой СБ на основе вышеназванных полупроводников – в отличие от СБ на основе c-Si и mc-Si– является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).

Исследования СБ на основе теллурида кадмия (CdTe) начались еще в 1970х годах ввиду их потенциального использования в качестве перспективных для космических аппаратов. А первое широкое применение «на земле» подобные СБ нашли в качестве элементов питания карманных микрокалькуляторов.

Данные элементы представляют собой гетероструктуру из тонких слоев p-CdTe / n-CdS (суммарная толщина 2-8 мкм) напыленных на стеклянную подложку (основу). Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Основным (и фактически единственным) производителем СБ на основе теллурида кадмия является американская фирма FirstSolar, которая занимает 4-5% всего рынка.

К сожалению, есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe. Кадмий – это экологически вредный тяжелый метал, который требует особых методов обращения и ставит сложный вопросутилизации старых изделий. В виду этого, законодательство многих стран ограничивает свободную продажу гражданам СБ этого типа (строятся только масштабных солнечных электростанций под гарантии утилизации от фирмы производителя). Второй элемент – теллур, довольно редко встречается в земной коре. Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу – довольно призрачны.

Солнечные батареи на основе соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2 (иногда обозначаются как CIGS) являются новичками на рынке солнечной энергетики. Несмотря на то, что начало исследований элементов этого типа было положено еще в середине 70х, в настоящее время коммерческий выпуск в боле-менее солидных масштабах ведет всего лишь фирма SolarFrontierKKиз Японии. Отчасти это связано с технически сложным и дорогим процессом изготовления, хотя в некоторых (удачных!) случаях их эффективность может достигать 20%.

Несмотря на отсутствие экологически вредных элементов в составе этого соединения, значительному расширению производства данных солнечных модулей в будущем угрожает дефицит индия. Ведутся исследования с целью заменить дорогой In на более дешевые элементы и может быть скоро появятся новые изделия на основе соединения Cu2ZnSn(S,Se)4.

Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния a-Si:H. Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены также и на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:

— увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;

— использовать аморфный кремний (a-Si), обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний (с-Si).

По первому пути пошла австралийская фирма CSGSolarLtd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм. По второму – швейцарская OerlikonSolar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния a-Si / с-Si эффективность которых также составляет 11-13%. Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных — наоборот). Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.

Концентраторные солнечные модули

Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев:  Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP. Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника. К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.  

Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат. Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 см2 и сфокусировав его на 1 см2 солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 см2 без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади! Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе, которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы.

В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.  

Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем

Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.

 

Трушин М.В. Ph.D

 

 

 

 

Солнечные батареи: конструкция и принцип действия

Полет человека в космос стал толчком к развитию технологий, которые в последствие пригодились и людям на Земле. Одна из них – использование солнечных батарей для производства электроэнергии. Во второй половине 20 века солнечные батареи можно было встретить лишь на космических кораблях и орбитальных станциях. Однако с началом нового столетия солнечные батареи уже можно было обнаружить в простом калькуляторе, а в наши дни любой может приобрести и установить солнечные батареи на крыше своего дома для производства электроэнергии. Во многих странах с благоприятным климатом для использования солнечных батарей (Италия, Испания, Португалия), на солнечную энергетику приходится существенная доля в общем объеме производства электроэнергии. Ряд стран оказывает государственную помощь компаниям и индивидуальным потребителям, которые используют солнечные батареи.

Самый простой способ использовать энергию Солнца – это преобразовывать ее в тепловую. Эти человечество занимается уже не одно тысячелетие, а в современных условиях это помогают делать солнечные коллекторы. Коллектор – передает солнечную тепловую энергию теплоносителю, в качестве которого выступает воздух или вода. Затем уже нагретый теплоноситель поступает в жилые помещения для их обогрева. Однако имеется два существенных недостатка в использовании тепловой энергии – невозможность ее хранить долгое время и передавать ее на большие расстояния. Поэтому наиболее удобным для накопления и транспортировки видом энергии является электричество. Для хранения электрической энергии нужны всего лишь аккумуляторные батареи, а для ее передачи – электрические провода.

Солнечный коллектор: устройство, конструкция, монтаж

Как работают солнечные батареи?

Солнечная батарея представляет собой несколько соединенных между собой фотоэлементов, сердцем которых являются кремниевые кристаллы. Из кремниевых кристаллов изготавливают пластины, на которые с одной стороны наносят тончайший слой фосфора, с другой стороны – тончайший слой бора. В месте контакта кремния с фосфором и бором возникает связь, а именно: при взаимодействии четырехвалентного атом кремния с трехвалентным атомом бора возникают так называемые «дырки», а при взаимодействии с пятивалентным атомом фосфора – один электрон становится свободным. Таким образом, с точки зрения физики, на стыке сред, обладающих избытком и недостатком электронов, образуется p-n переход. Фотоны от солнечного света бомбардируют поверхность пластины и вышибают избыточные электроны фосфора к недостающим электронам бора. В результате возникает упорядоченное движение электронов или электрический ток.

Пока мощность фотоэлементов недостаточна для полного перехода человечества исключительно на солнечную энергию. Поэтому для промышленного производства электроэнергии с использованием солнечных батарей необходимо огромное число пластин с фотоэлементами.

Система слежения за Солнцем для солнечных батарей
Расчет мощности солнечных батарей
Светильники на солнечных батареях

Однако особенность солнечных батарей – преобразование световой энергии Солнца, в том числе и ультрафиолетового излучения, позволяет использовать солнечные батареи даже зимой. Единственным условием, при котором солнечная батарея не сможет функционировать эффективно – повышенная облачность. Уже сейчас ученые предлагают создать две гигантские солнечные электростанции в Арктике и Антарктике, которые будут накапливать энергию во время полугодового полярного дня. На севере полярный день наступает летом, а на юге – зимой, что позволит производить электроэнергию круглый год.

Солнечная интеграция: основы солнечной энергии и хранения

Иногда два лучше, чем один. Одним из таких случаев является сочетание технологий солнечной энергии и хранения. Причина: солнечная энергия не всегда производится в то время, когда она больше всего нужна. Пиковое энергопотребление часто приходится на летние дни и вечера, когда падает выработка солнечной энергии. В это время температура может быть самой высокой, и люди, которые работают в дневное время, возвращаются домой и начинают использовать электричество для охлаждения своих домов, приготовления пищи и запуска приборов.

Аккумулятор помогает солнечной энергии вносить свой вклад в электроснабжение, даже когда солнце не светит. Это также может помочь сгладить различия в том, как солнечная энергия течет по сети. Эти различия связаны с изменениями количества солнечного света, попадающего на фотоэлектрические (PV) панели или системы концентрации солнечной тепловой энергии (CSP). На производство солнечной энергии могут влиять сезон, время суток, облачность, пыль, дымка или препятствия, такие как тени, дождь, снег и грязь. Иногда хранилище энергии совмещается с системой солнечной энергии или размещается рядом с ней, а иногда система хранения стоит отдельно, но в любой конфигурации она может помочь более эффективно интегрировать солнечную энергию в энергетический ландшафт.

Что такое хранение энергии?

«Хранение» относится к технологиям, которые могут улавливать электричество, хранить его в виде другой формы энергии (химической, тепловой, механической), а затем высвобождать ее для использования, когда это необходимо. Литий-ионные аккумуляторы являются одной из таких технологий. Хотя использование накопления энергии никогда не бывает эффективным на 100 % — некоторая часть энергии всегда теряется при преобразовании энергии и ее извлечении, — хранение позволяет гибко использовать энергию в разное время, когда она была произведена. Таким образом, хранение может повысить эффективность и отказоустойчивость системы, а также улучшить качество электроэнергии за счет согласования спроса и предложения.

Хранилища различаются как по энергоемкости, которая представляет собой общее количество энергии, которое может быть сохранено (обычно в киловатт-часах или мегаватт-часах), так и по мощности, которая представляет собой количество энергии, которое может быть высвобождено при заданной время (обычно в киловаттах или мегаваттах). Разные энергетические и энергетические мощности накопителей могут использоваться для решения разных задач. Краткосрочное хранение, которое длится всего несколько минут, обеспечит бесперебойную работу солнечной электростанции во время колебаний мощности из-за проходящих облаков, в то время как более долгосрочное хранение может помочь обеспечить поставку в течение нескольких дней или недель, когда производство солнечной энергии низкое или во время серьезного погодного явления. , Например.

Преимущества сочетания аккумулирования и солнечной энергии

1. Балансировка нагрузки электроэнергии вопросы перегенерации и надежности сети. И наоборот, могут быть другие времена, после захода солнца или в пасмурные дни, когда солнечной энергии мало, но есть большой спрос на электроэнергию. Введите хранилище, которое можно заполнить или зарядить, когда выработка высокая, а потребление энергии низкое, а затем раздать, когда нагрузка или спрос высоки.Когда часть электричества, произведенного солнцем, помещается в хранилище, это электричество можно использовать всякий раз, когда оно нужно операторам сети, в том числе после захода солнца. Таким образом, хранение действует как страховой полис от солнечного света.
2. «Укрепление» солнечной генерации – Кратковременное хранение может гарантировать, что быстрые изменения в генерации не сильно повлияют на мощность солнечной электростанции. Например, небольшую батарею можно использовать для преодоления кратковременного сбоя генерации из-за пролетающего облака, помогая сети поддерживать «устойчивое» электроснабжение, которое является надежным и стабильным.
3. Обеспечение отказоустойчивости — Солнечная энергия и накопители могут обеспечить резервное питание во время отключения электроэнергии. Они могут поддерживать работу критически важных объектов для обеспечения непрерывности основных услуг, таких как связь. Солнечная энергия и накопители также могут использоваться для микросетей и приложений меньшего масштаба, таких как мобильные или портативные блоки питания.

Типы аккумулирования энергии

Наиболее распространенным типом аккумулирования энергии в энергосистеме являются насосные гидроэлектростанции. Но технологии хранения, наиболее часто связанные с солнечными электростанциями, представляют собой электрохимическое хранение (батареи) с фотоэлектрическими установками и хранение тепла (жидкости) с установками CSP.Другие типы хранилищ, такие как хранилища сжатого воздуха и маховики, могут иметь другие характеристики, такие как очень быстрая разгрузка или очень большая емкость, что делает их привлекательными для операторов сетей. Более подробная информация о других типах хранилищ приведена ниже.

Аккумулирующие гидроэлектростанции

Аккумулирующие гидроэлектростанции представляют собой технологию накопления энергии на основе воды. Электрическая энергия используется для перекачивания воды вверх в водохранилище, когда потребность в энергии невелика. Позже вода может течь обратно вниз по склону и вращать турбину для выработки электроэнергии, когда спрос высок.Насосная гидроэнергетика — это хорошо проверенная и зрелая технология хранения, которая используется в Соединенных Штатах с 1929 года. Однако она требует подходящих ландшафтов и резервуаров, которые могут быть естественными озерами или искусственными путем строительства плотин, что требует длительных разрешений регулирующих органов, длительных сроки реализации и большой первоначальный капитал. Помимо энергетического арбитража, стоимость услуг насосных гидроэлектростанций для интеграции переменных возобновляемых источников энергии не полностью реализована, что может увеличить период финансовой окупаемости. Это некоторые из причин, по которым в последнее время гидроэлектростанции не строились, хотя интерес очевиден из запросов в Федеральную комиссию по регулированию энергетики о предварительных разрешениях и лицензиях.

Электрохимическое хранилище

Многие из нас знакомы с электрохимическими батареями, которые используются в ноутбуках и мобильных телефонах. Когда электричество подается в батарею, оно вызывает химическую реакцию, и энергия сохраняется. Когда батарея разряжается, эта химическая реакция меняется на обратную, что создает напряжение между двумя электрическими контактами, вызывая протекание тока из батареи. Наиболее распространенный химический состав для аккумуляторных элементов — литий-ионный, но другие распространенные варианты включают свинцово-кислотные, натриевые и никелевые батареи.

Аккумулирование тепловой энергии

Аккумулирование тепловой энергии — это семейство технологий, в которых жидкость, такая как вода или расплавленная соль, или другой материал используется для хранения тепла. Затем этот теплоаккумулирующий материал хранится в изолированном резервуаре до тех пор, пока не потребуется энергия. Энергия может использоваться непосредственно для обогрева и охлаждения или для производства электроэнергии. В системах хранения тепловой энергии, предназначенных для электричества, тепло используется для кипячения воды. Полученный пар приводит в действие турбину и производит электроэнергию с использованием того же оборудования, которое используется на обычных электростанциях.Аккумулирование тепловой энергии полезно в установках CSP, которые фокусируют солнечный свет на приемнике для нагрева рабочей жидкости. Сверхкритический диоксид углерода исследуется в качестве рабочей жидкости, которая может использовать преимущества более высоких температур и уменьшить размер электростанций.

Хранение маховика

Маховик представляет собой тяжелое колесо, прикрепленное к вращающемуся валу. Расход энергии может заставить колесо вращаться быстрее. Эту энергию можно извлечь, подключив колесо к электрическому генератору, который использует электромагнетизм для замедления вращения колеса и выработки электроэнергии.Хотя маховики могут быстро обеспечить мощность, они не могут хранить много энергии.

Хранение сжатого воздуха

Системы хранения сжатого воздуха состоят из больших емкостей, таких как резервуары, или естественных образований, таких как пещеры. Компрессорная система накачивает сосуды сжатым воздухом. Затем воздух можно выпустить и использовать для привода турбины, вырабатывающей электричество. Существующие системы хранения энергии на сжатом воздухе часто используют высвобождаемый воздух как часть энергетического цикла природного газа для производства электроэнергии.

Солнечное топливо

Солнечная энергия может использоваться для создания новых видов топлива, которые можно сжигать (сжигать) или потреблять для получения энергии, эффективно сохраняя солнечную энергию в химических связях. Среди возможных видов топлива, которые изучают исследователи, — водород, полученный путем отделения его от кислорода в воде, и метан, полученный путем объединения водорода и углекислого газа. Метан является основным компонентом природного газа, который обычно используется для производства электроэнергии или отопления домов.

Виртуальное хранилище

Энергию также можно сохранить, изменив способ использования уже имеющихся устройств.Например, нагревая или охлаждая здание перед ожидаемым пиком потребления электроэнергии, здание может «аккумулировать» эту тепловую энергию, поэтому ему не нужно потреблять электричество позже в течение дня. Само здание действует как термос, сохраняя холодный или теплый воздух. Аналогичный процесс можно применить к водонагревателям, чтобы распределить спрос в течение дня.

В конечном счете, частные и коммерческие потребители солнечной энергии, а также коммунальные предприятия и крупные операторы солнечной энергии могут извлечь выгоду из систем, сочетающих солнечную энергию и аккумулирование.По мере продолжения исследований и снижения стоимости солнечной энергии и ее хранения решения для солнечной энергии и хранения станут более доступными для всех американцев.

Дополнительная информация

Узнайте больше о программе интеграции систем Solar Office.

Узнайте о грандиозном конкурсе Министерства энергетики США по хранению энергии.

Подпишитесь на нашу рассылку , чтобы быть в курсе последних новостей.

Главная » Информационные ресурсы по солнечной энергии » Основы системной интеграции

Solar 101: Как работает солнечная энергия (шаг за шагом)

Вы когда-нибудь смотрели на солнечные панели на крышах и задавались вопросом, что они делают и как? Что ж, эти высокотехнологичные пространства из мерцающего стекла на самом деле являются лишь одним из компонентов сложной сети, которая использует возобновляемую энергию солнца для подачи электричества в дом внутри.

Давайте пошагово рассмотрим, как работает солнечная энергия.

 

Как солнечные батареи производят электричество?

 

ШАГ 1. Солнечный свет активирует панели.

Стоечная солнечная система

Каждая отдельная панель состоит из слоя кремниевых ячеек, металлического каркаса, стеклянного корпуса, окруженного специальной пленкой, и проводки. Для максимального эффекта панели группируются в «массивы» (упорядоченная серия) и размещаются на крышах или на больших открытых площадках.Солнечные элементы, которые также называются фотогальваническими элементами , поглощают солнечный свет в дневное время.

 

ЭТАП 2. Клетки производят электрический ток.

Слиток кремния и пластина

Внутри каждого солнечного элемента находится тонкая полупроводниковая пластина, состоящая из двух слоев кремния. Один слой заряжен положительно, а другой отрицательно, образуя электрическое поле. Когда световая энергия солнца попадает на фотогальванический солнечный элемент, он заряжает элемент и заставляет электроны «освобождаться» от атомов внутри полупроводниковой пластины.Эти свободные электроны приводятся в движение электрическим полем, окружающим пластину, и это движение создает электрический ток.

 

ЭТАП 3: Преобразование электрической энергии.

Солнечный инвертор. Изображение предоставлено SMA Solar Technology AG

.

Теперь у вас есть солнечные батареи, которые эффективно преобразуют солнечный свет в электричество, но вырабатываемое электричество называется электричеством постоянного тока (или постоянного тока), а не тем типом электричества, которым питается большинство домов, а электричеством переменного тока (или переменного тока).К счастью, электричество постоянного тока можно легко превратить в электричество переменного тока с помощью устройства, называемого инвертором. В современных солнечных системах эти инверторы могут быть сконфигурированы как один инвертор для всей системы или как отдельные микроинверторы, прикрепленные за панелями.

 

ШАГ 4. Преобразованное электричество питает ваш дом.

Солнечный микроинвертор

После того, как солнечная энергия была преобразована из постоянного тока в переменный ток, она проходит через ваш электрический щит и распределяется по дому для питания ваших приборов. Он работает точно так же, как электроэнергия, вырабатываемая через сеть вашей электроэнергетической компанией, поэтому в доме ничего не нужно менять. Поскольку вы по-прежнему подключены к своей традиционной энергетической компании, вы можете автоматически получать дополнительную электроэнергию, чтобы компенсировать нехватку солнечной энергии из сети.

 

ШАГ 5. Счетчик полезной нагрузки измеряет использование.

Умный электросчетчик

В пасмурные дни и ночью ваша солнечная черепица или панели могут не улавливать достаточно солнечного света для использования в качестве энергии; и наоборот, в середине дня, когда никого нет дома, они могут собирать избыточную энергию — больше, чем вам нужно для работы вашего дома.Вот почему счетчик используется для измерения электричества, протекающего в обоих направлениях — в ваш дом и из вашего дома. Ваша коммунальная компания часто предоставляет кредиты на любую избыточную энергию, которую вы отправляете обратно в сеть. Это известно как Net Metering .

 

Заключение

Теперь, когда вы знаете основы солнечной энергии, вы можете удивиться тому, как современные фотоэлектрические технологии могут использовать огромную энергию солнца для обеспечения работы дома. Это может быть не ракетостроение, но это определенно человеческая изобретательность в лучшем виде.

 

Заинтересованы в солнечной кровле для вашего дома? Ознакомьтесь с нашими продуктами для солнечной энергетики или найдите сертифицированного специалиста по установке солнечных батарей в вашем регионе.

Как работают солнечные панели? Все, что вам нужно знать

Содержание

Как работают солнечные панели?

Какие компоненты составляют Солнечную систему?

Как изготавливаются солнечные панели?

Как устроены солнечные системы?

Узнайте больше об основах солнечной энергетики, подписавшись на наш блог.

 

От ископаемого топлива до гидроэнергии большая часть энергии начинается с солнца. Солнечные панели собирают энергию непосредственно из этого невероятного ресурса, преобразовывая фотоны в электричество.

Солнечные панели могут обеспечивать невероятный спектр энергетических приложений. Солнечная генерация может обеспечить электроэнергией удаленную кабину и поддерживать свет на Международной космической станции, но все мы знаем, что солнечная энергия предназначена не только для обеспечения удаленных потребностей в электроэнергии.

По мере снижения цен на солнечные панели они стали конкурентоспособным источником энергии для дома и бизнеса.Помимо экономии некоторого количества зелени, переход на солнечную энергию является одним из лучших способов, с помощью которых потребитель может снизить потребление энергии. Солнечные панели обеспечивают обширные экологические преимущества, потенциально устраняя зависимость от ископаемого топлива, выделяющего углерод, и улучшая качество воздуха.

По этим причинам миллионы домов и предприятий «перешли на солнечную энергию». Вот лишь несколько интересных примеров:

• В 2016 году в доме на Род-Айленде была установлена ​​система мощностью 9,5 кВтч. Массив экономит домовладельцам 3845 долларов в год и окупится к 2022 году.
  
• В 2008 году санитарный округ Лейк-Каунти в Калифорнии установил около 9500 солнечных панелей для питания трех санитарно-технических сооружений. Проект направлен на то, чтобы сэкономить налогоплательщикам 5 миллионов долларов за 20-летний срок службы системы и обеспечить достаточную мощность для снижения нагрузки на электроэнергию от электростанции на 90 процентов.
  
• Винные поместья Vintage Wine Estate в калифорнийской долине Напа установили солнечную систему мощностью 945 кВтч, которая обеспечит экономию энергии на 10 миллионов долларов в течение 30 лет.

Как работают солнечные панели?

Вот краткое изложение того, что происходит от солнца к розетке в фотоэлектрической системе:

1. Фотогальванические элементы поглощают солнечные фотоны и преобразуют их в электричество постоянного тока
   
2. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный (AC) для питания электроприборов
   
3. Переменный ток проходит по проводам к распределительной коробке для распределения по всему зданию
   
4. Любая неиспользованная электроэнергия возвращается в коммунальную сеть или в хранилище солнечной энергии

Понимание солнечной энергии

Солнечная энергия – это лучистый свет и тепло, излучаемое солнцем. Его собирают множеством способов, таких как фотосинтез в растениях и солнечное нагревание.

Солнечная энергия для производства электроэнергии зависит от субатомных частиц, называемых фотонами. Эти частицы начинают свое путешествие в центре Солнца, проходя через различные слои, прежде чем улететь в космос. Путешествие от центра Солнца к поверхности может занять от 100 000 до 50 миллионов лет.

После того, как фотоны покидают Солнце, им требуется немногим более 8 минут, чтобы достичь Земли, где они сталкиваются с солнечными панелями и вызывают фотоэлектрический эффект.

Фотогальванический эффект (как солнечные панели вырабатывают электричество)

Секрет солнечной панели заключается в ее способности преобразовывать фотоны в электроны. В двух словах, солнечная панель преобразует фотоны в постоянный ток, который затем преобразуется в переменный ток для использования в домашних и коммерческих целях.

Солнечные элементы обычно изготавливаются из кремния, полупроводника, способного производить электричество. Когда солнечный свет падает на панель, фотоны взаимодействуют с атомами кремния, высвобождая электроны в результате явления, называемого фотогальваническим эффектом.

Солнечный элемент изготавливается из положительного и отрицательного кремниевых листов, соединенных между собой. Верхний кремниевый слой наполнен фосфором для создания отрицательного заряда, а нижний слой, наполненный бором, сохраняет положительный заряд. Возникающее поле направляет электроны к проводящему металлу и из панели.

Подключение к сети

Как только фотогальванический процесс производит ток, электричество должно куда-то течь. Поскольку ток, производимый солнечной панелью, является постоянным, его необходимо преобразовать в переменный, прежде чем его можно будет использовать в большинстве ситуаций.После преобразования в переменный ток солнечная энергия может использоваться несколькими способами.

Самый распространенный метод — вход в систему, привязанную к сети. Сетевая система потребляет значительную часть своей потребности в энергии от солнечных батарей в течение дня. В зависимости от размера системы может быть произведено больше энергии, чем требуется объекту, поэтому излишки электроэнергии отправляются обратно в сеть. Когда солнце садится, потребитель получает дополнительную энергию от коммунального предприятия.

Хотя сетевые системы не являются полностью самодостаточными, они представляют собой эффективный способ снизить счета за электроэнергию и принести пользу окружающей среде.

Чистый учет

Основным преимуществом системы, подключенной к сети, является возможность продавать избыточную солнечную энергию коммунальным предприятиям посредством процесса, называемого нетто-счетчиком. В пасмурные дни и ночью солнечная система может не производить достаточно энергии для удовлетворения спроса. В очень солнечные дни верно обратное: когда потребление энергии низкое, но производство высокое, панели будут собирать избыточную энергию, обычно более чем достаточную для энергетических потребностей клиента.

Чистый учет измеряет поток электроэнергии в обоих направлениях: сколько энергии система получает от коммунального предприятия и сколько потребляет. Когда солнечная система производит перепроизводство, счетчик фактически работает в обратном направлении, в результате чего коммунальная компания вознаграждает кредиты за избыток энергии.

Эти кредиты можно использовать для покупки энергии у коммунальных предприятий, когда солнечная система не может удовлетворить спрос.

Какие компоненты составляют Солнечную систему?

Солнечные панели являются наиболее очевидными компонентами фотоэлектрической системы, но они составляют лишь около 30% от общей стоимости системы. Высокотехнологичное мерцание солнечной панели — это лишь верхушка айсберга, которую фотогальваническая система использует для использования возобновляемой энергии солнца.

Давайте подробнее рассмотрим важные компоненты, из которых состоит солнечная система.

Солнечные фотоэлектрические панели

Типичная солнечная панель состоит из кремниевых элементов, металлического каркаса, элементов проводки и стекла. Изоляционный слой и защитный задний лист защищают панель от чрезмерного нагрева и влажности.

В то время как общая конструкция солнечных панелей довольно стандартна, кремниевые элементы производятся в двух различных форматах:

• Монокристаллические элементы представляют собой один твердый кристалл кремния.Моноэлементы обеспечивают больше пространства для потока электронов, что приводит к уменьшению размера и повышению эффективности панели. Недостатком является то, что они, как правило, дороже.
  
• Поликристаллические элементы состоят из множества отдельных осколков кремния, сплавленных вместе. Хотя они не так эффективны, как моноэлементы, полиэлементы имеют более низкую цену.

Моно- и полиэлементы служат одной цели. Эстетика и бюджет помогут вам определить, что подходит для вашего следующего проекта.Монопанели, как правило, имеют более темный и однородный цвет, в то время как поли-панели светлее (обычно синего цвета). Если пространство ограничено, монопанели могут быть оптимальными благодаря их более высокой эффективности. Но если пространство не является проблемой или у вас ограниченный бюджет, поли-панели по-прежнему являются отличным выбором.

Инверторы

Солнечная энергия поступает прямо с панели в виде постоянного тока. Но энергия должна быть преобразована в переменный ток, прежде чем ее можно будет использовать в коммерческой электрической сети.К счастью, постоянный ток легко преобразуется в переменный, и эта работа остается за инвертором.

Инверторы делятся на 4 основные категории:

1. Автономные инверторы получают энергию постоянного тока от батарей, заряжаемых солнечными панелями, и не взаимодействуют с сетью.
   
2. Сетевые инверторы согласовывают электрический ток от солнечных батарей с током коммунальной сети. Сетевые инверторы отключаются при отключении электроэнергии, поэтому на них нельзя полагаться в качестве резервного источника питания.
   
3. Инверторы резервного питания от батареи получают энергию от батареи и экспортируют избыточную энергию в сеть. Аккумуляторные резервные инверторы способны подавать энергию переменного тока во время отключения электроэнергии.
   
4. Интеллектуальные гибридные инверторы — это комплексные решения, которые можно использовать для сетевых, автономных или резервных приложений. Интеллектуальные гибридные инверторы часто подключаются непосредственно к солнечным батареям и управляют солнечной нагрузкой, хранением аккумуляторов и взаимодействием с сетью.

Стойка и монтажная система

Стеллажи и монтажное оборудование делают гораздо больше, чем просто крепление панелей к крыше или земле — они обеспечивают правильное положение для максимального воздействия солнца.Выбор правильной конфигурации монтажа и положения имеет важное значение для обеспечения максимальной производительности любой системы.

Солнечные стеллажи и монтажные системы делятся на 3 категории:

1. Системы наземного монтажа . Традиционные системы крепления к земле прикрепляют штабелированные панели к земле, часто высотой от двух до четырех панелей. Каждую панель обычно поддерживают две направляющие, которые можно расположить в книжной или альбомной ориентации. Эти системы крепятся к земле с помощью стальных стержней, винтов или балластов, таких как бетонные блоки.
   
2. Системы слежения . Моторизованные системы слежения следуют за солнцем в течение дня, максимально увеличивая воздействие солнечного света. Системы слежения классифицируются как одноосные или двухосевые. Системы с одной осью следуют за солнцем с востока на запад по прямой линии. Системы с двумя осями отслеживают движение солнца по кругу для лучшего воздействия солнечного света.
   
3. Системы крепления на крыше . В наиболее распространенных системах крепления на крыше используются рельсы, надежно закрепленные на крыше.В других системах, устанавливаемых на крыше, панели крепятся непосредственно к болтам или винтам, закрепленным на крыше, что исключает использование рельсов и обеспечивает более гладкий внешний вид и меньшую нагрузку. Балластные и непроникающие системы обычно используются на плоских крышах или крышах, которые не могут поддерживать монтажное оборудование.

Системы мониторинга производительности

Система мониторинга производительности — это информационная панель, которая дает полное представление о производительности вашей системы. Помимо нечетких ощущений, когда ваш счетчик вращается в обратном направлении, система мониторинга солнечной производительности предлагает ценную информацию о фотоэлектрической системе.

Система мониторинга производительности предоставляет информацию о выходе и потреблении энергии, оптимизирует использование энергии и может информировать вас о проблемах в вашей солнечной системе. Солнечные системы мониторинга работают через инверторы, обычно через программное обеспечение для мониторинга, которое обеспечивает связь между инвертором и другими устройствами.

Системы мониторинга производительности

собирают информацию о том, как инвертор преобразует постоянный ток в переменный, и делают эту информацию доступной для домовладельца через сопутствующие приложения и устройства умного дома. Лучшие системы мониторинга производительности собирают данные через центральный инвертор или с отдельных микроинверторов, прикрепленных к каждой солнечной панели. Последний вариант обеспечивает более полное представление о производительности отдельных солнечных панелей и позволяет быстрее диагностировать потенциальные проблемы.

Как изготавливаются солнечные панели?

Основные конструкции солнечных панелей не сильно изменились за последние десятилетия. Подобно массивам, которые впервые начали появляться в домах несколько десятилетий назад, большинство современных солнечных панелей по-прежнему состоят из кремниевой матрицы между передней стеклянной пластиной и задней полимерной пластиной.

Солнечные панели должны выдерживать суровые погодные условия в течение 25 с лишним лет. Лучшие солнечные панели спроектированы таким образом, чтобы выдержать испытание временем, для чего требуется несколько основных материалов и соблюдение строгих производственных стандартов.

Материалы

Солнечные панели лучше всего изображать в виде сэндвича из кремния и стекла. Материалы, из которых изготавливаются солнечные панели, относительно просты:

.

• Силиконовые элементы
  
• Металлический каркас
  
• Стекло
  
• Провод 12 В
  
• Шинный провод
  
• Оргстекло

Кремний, элемент, придающий солнечным панелям магию выработки электричества, является активным ингредиентом в рецепте сэндвича с солнечными панелями, а также является наиболее энергоемким в производстве.Кремний является одним из самых распространенных элементов на земле и основным компонентом пляжного песка. Но преобразование песка в чистый кремний, подходящий для солнечных батарей, является энергоемким процессом, требующим очистки в высокотемпературных дуговых печах.

После очистки кремния сырой продукт готов к производству солнечной панели.

Производство

Изолированные куски кремния формируются в цилиндрические слитки, при этом особое внимание уделяется правильной ориентации атомов.На этом этапе добавляется бор, чтобы придать кремнию положительный заряд. Затем слитки разрезают на тонкие пластины толщиной с бумагу, а затем обрабатывают антибликовым покрытием, которое помогает лучше поглощать солнечный свет.

Затем на поверхность каждой пластины добавляют проводящие металлы. Фосфор рассеивается по поверхности, обеспечивая отрицательный заряд, чтобы уравновесить положительный заряд бора и обеспечить контролируемый поток электронов.

На этом этапе индивидуальный солнечный элемент готов.Далее ячейки впаиваются с металлическими разъемами в матрицу. Эта сборка зажата между защитным задним листом и стеклянным покрытием и завершается соединительной коробкой и рамой.

Как устроены солнечные системы?

При проектировании солнечных систем учитываются два важных фактора: доступное пространство и потребность в энергии. Все гайки и болты проектирования солнечной системы зависят от этих двух факторов, поэтому их полное понимание необходимо для хорошо спланированной солнечной установки.

Для начала проектировщик солнечной энергии рассчитает ежедневную потребность в энергии, обычно взглянув на счет за коммунальные услуги. Далее дизайнер определит идеальное количество солнечных панелей для проекта и доступное пространство для их размещения. Определив потребность в энергии и доступное пространство, дизайнер может приступить к покупке компонентов.

Проектирование солнечной системы может быть сложным. Дизайнер должен определить требования к пространству, потенциальную тень, оптимальный шаг/угол панели, необходимые разрешения и многое другое.Программные решения могут помочь оценить потребность в солнечной энергии и спланировать наилучшую солнечную систему.

Программное обеспечение для проектирования Aurora Solar.

Например, при наличии счета за электроэнергию программное обеспечение для проектирования Aurora Solar автоматически предоставляет рекомендации по высококачественному дизайну и материалам для любого места. Aurora также предоставляет несколько инструментов планирования и проектирования в одном интуитивно понятном пакете, включая дизайн участка, профили нагрузки, анализ затенения, автоматическое проектирование системы, коммерческие предложения, шаблоны разрешений и многое другое.

Заключение

Конечно, все тонкости работы солнечных батарей — это только первый шаг. Если вы хотите узнать больше о солнечной энергии и солнечной промышленности, вот несколько дополнительных ресурсов:

Раздел нашего блога «Солнечная энергия 101» также содержит ряд других ресурсов, которые помогут ответить на все ваши вопросы, связанные с солнечными батареями.

Запланируйте демонстрацию сегодня и ускорьте свой следующий проект по установке солнечных батарей.

Как работают солнечные панели? Наука о солнечной генерации

Время чтения: 9 минут

Поскольку стоимость солнечной энергии в последние годы резко упала наряду со значительными улучшениями в технической эффективности и качестве производства, многие домовладельцы в США. S. начинают рассматривать солнечную энергию как жизнеспособное решение для возобновляемых источников энергии. И по мере того, как солнечная энергия выходит на основные энергетические рынки, возникает большой вопрос: «Как работают солнечные панели?» .

В двух словах, солнечная панель работает, вырабатывая электричество, когда частицы солнечного света или фотоны выбивают электроны из атомов, приводя их в движение. Этот поток электронов представляет собой электричество, и солнечные панели предназначены для улавливания этого потока, превращая его в полезный электрический ток. Этот электрический ток создается фотогальваническими элементами, и компоненты этих элементов превращают электричество в полезную энергию.

В этой статье мы подробно расскажем, как солнечные панели производят возобновляемую энергию для вашего дома и насколько практично использовать солнечную энергию.

Это непредвзятый обзор: EnergySage не платит за обзор брендов или продуктов, и мы не зарабатываем деньги на партнерской рекламе в этой статье. Содержание этого блога основано на исследованиях и информации, доступной на момент написания статьи. Узнайте больше о нашей миссии и о том, как мы зарабатываем деньги как компания.

Ключевые выводы: как работают солнечные панели?

---

• Солнечные элементы обычно изготавливаются из кремния, который является полупроводником и может генерировать электричество
• Этот процесс известен как «фотогальванический эффект».

Что в этой статье?

• Как работают солнечные батареи? Пошаговый обзор процесса производства солнечной энергии
• Как солнечные панели вырабатывают электроэнергию?
• Наука о солнечных панелях, углубленное изучение
• Что насчет альтернативных солнечных технологий вместо фотоэлектрических?
  • Солнечная горячая вода
  • Концентрированная солнечная энергия
• Как работает подключение к сети с солнечными панелями?
• Дополнительные важные детали к солнечным панелям

Как работают солнечные панели? Пошаговый обзор процесса производства солнечной энергии

Производство солнечной энергии начинается, когда солнечные панели поглощают фотоны или частицы света с помощью фотогальванических элементов, генерируя эту энергию постоянного тока (DC) и затем преобразуя ее в пригодную для использования энергию переменного тока (AC). с помощью инверторной технологии.Затем энергия переменного тока проходит через электрическую панель дома и распределяется соответствующим образом. Основные этапы работы солнечных панелей в вашем доме:

1. Фотогальванические элементы поглощают солнечную энергию и преобразуют ее в электричество постоянного тока

Фотогальванические элементы обрабатываются фосфором и бором, что придает им положительный и электрический ток.

2. Инвертор солнечной энергии преобразует электричество постоянного тока от ваших солнечных модулей в электричество переменного тока, которое используется большинством бытовых приборов.

Электричество постоянного тока становится выходным напряжением переменного тока, когда инвертор переключает направление тока достаточно быстро, чтобы оно стало питанием переменного тока.Инверторы также могут комплектоваться трансформаторами, регулирующими напряжение постоянного и переменного тока.

3. Электричество проходит через ваш дом, питая электронные устройства

Солнечные инверторы передают преобразованную энергию переменного тока в электрическую коробку вашего дома. Оттуда электричество распределяется по вашему дому по проводам в стене, поэтому, когда ваши устройства должны быть подключены к розетке, есть доступный электрический ток.

4. Избыточная электроэнергия, вырабатываемая солнечными панелями, подается в электрическую сеть

Если у вас есть солнечная система, связанная с сетью, энергия поступает в сеть и из сети, а избыточная энергия, производимая вашими панелями, может фактически приносить вам деньги. с политикой, называемой чистым измерением.Благодаря чистому измерению вы получаете кредиты от сети, в которую вы передаете свою избыточную энергию, что делает вашу общую стоимость электроэнергии еще дешевле. Узнайте больше о политике чистого измерения в нашей статье.

Что такое сетевая солнечная система?

---

Если вы установили солнечную систему, большая часть электроэнергии, вероятно, поступает непосредственно из вашей системы, при условии, что она имеет соответствующие размеры. Но что происходит в пасмурный день или ночью, когда не светит солнце? Большинство домовладельцев по-прежнему подключены к местной электросети, поэтому у них есть доступ к альтернативному источнику электроэнергии, а это означает, что их солнечная система привязана к сети. На самом деле, в большинстве случаев, если у вас нет системы «солнечная батарея + аккумулирование», вам придется оставаться привязанным к сети, чтобы ваши солнечные панели работали, потому что они не предназначены для постоянной выработки достаточного количества электроэнергии, чтобы быть единственный источник энергии в доме.

Как солнечные панели вырабатывают электричество?

 Стандартная солнечная панель (также известная как солнечный модуль) состоит из слоя кремниевых элементов, металлического каркаса, стеклянного корпуса и различных проводов, обеспечивающих протекание тока от кремниевых элементов.Кремний (атомный номер 14 в периодической таблице) — это неметалл с проводящими свойствами, которые позволяют ему поглощать солнечный свет и преобразовывать его в электричество. Когда фотоны взаимодействуют с кремниевой клеткой, это приводит в движение электроны, что инициирует поток электрического тока. Это известно как «фотогальванический эффект » и описывает общую функциональность технологии солнечных панелей.

Вся наука о выработке электроэнергии с помощью солнечных батарей сводится к фотогальваническому эффекту.Фотогальванический эффект, впервые обнаруженный в 1839 году Эдмоном Беккерелем, можно рассматривать как характеристику определенных материалов (известных как полупроводники ), которая позволяет им генерировать электрический ток при воздействии солнечного света.

Фотогальванический процесс состоит из следующих упрощенных этапов:

1. Кремниевый фотогальванический солнечный элемент поглощает солнечное излучение

Точнее, полупроводник, проводящий электричество не так эффективно, как металл, поэтому «полупроводник» поглощает свет энергия.Существует несколько различных типов полупроводников, обычно используемых в солнечных батареях. Кремний на сегодняшний день является наиболее часто используемым полупроводником, составляющим 95% производимых сегодня солнечных элементов. Теллурид кадмия и диселенид меди, индия, галлия являются двумя основными полупроводниковыми материалами, используемыми в производстве тонкопленочных солнечных панелей.

2. Когда солнечные лучи взаимодействуют с кремниевой ячейкой, электроны начинают двигаться, создавая поток электрического тока

Длина волны света, падающего на фотоэлемент, влияет на общую эффективность, которой он обладает.

3. Провода улавливают и подают это электричество постоянного тока в солнечный инвертор для преобразования в электричество переменного тока (AC). Эффективность солнечной батареи зависит от того, сколько электричества улавливается этими проводами по сравнению с количеством солнечного света, падающего на ячейки.

Подробно о солнечных панелях

Кремниевые солнечные элементы благодаря фотогальваническому эффекту поглощают солнечный свет и генерируют электрическую энергию.Этот процесс зависит от типа солнечной технологии, но есть несколько общих шагов для всех солнечных фотоэлектрических элементов.

Сначала свет попадает на фотоэлектрический элемент и поглощается полупроводниковым материалом, из которого он сделан (обычно кремнием). Эти входящие фотоны заставляют электроны в кремнии выбиваться, что в конечном итоге становится солнечным электричеством, которое вы можете использовать в своем доме.

В фотоэлектрических элементах используются два слоя кремния, каждый из которых специально обработан или «легирован» для создания электрического поля, что означает, что одна сторона имеет суммарный положительный заряд, а другая — отрицательный.Это электрическое поле заставляет свободные электроны течь в одном направлении через солнечный элемент, создавая электрический ток. Элементы фосфор и бор обычно используются для создания этих положительных и отрицательных сторон фотогальванического элемента.

Как только свободные электроны генерируют электрический ток, металлические пластины по бокам каждого солнечного элемента собирают эти электроны и передают их по проводам. На этом этапе электроны могут течь в виде электричества по проводке к солнечному инвертору, а затем по всему дому.

Солнечные технологии продолжают совершенствоваться, что позволяет производителям солнечных панелей из года в год разрабатывать более совершенные панели. Количество солнечных панелей, необходимых для питания дома, зависит от многих факторов, но, как правило, более эффективные солнечные панели означают, что требуется меньше панелей.

А как насчет солнечных технологий, альтернативных фотоэлектрическим?

В этой статье мы говорили о фотогальванических солнечных батареях , или PV, потому что это наиболее распространенный тип солнечной энергии, особенно для домов и предприятий.Но их гораздо больше, и они работают иначе, чем традиционные фотоэлектрические солнечные панели. Двумя наиболее распространенными альтернативными солнечными панелями, которые работают иначе, чем фотоэлектрические панели, являются солнечная горячая вода и концентрированная солнечная энергия .

Солнечная горячая вода

Солнечные системы горячего водоснабжения улавливают тепловую энергию солнца и используют ее для нагрева воды для вашего дома. Эти системы состоят из нескольких основных компонентов: коллекторов, накопительного бака, теплообменника, системы управления и резервного нагревателя.

В солнечной системе горячего водоснабжения нет движения электронов. Вместо этого панели преобразуют солнечный свет в тепло. Панели в солнечной тепловой системе известны как «коллекторы» и обычно устанавливаются на крыше. Они собирают энергию совершенно иначе, чем традиционные фотоэлектрические панели — вместо электричества они производят тепло. Солнечный свет проходит через стеклянное покрытие коллектора и попадает на компонент, называемый поглотительной пластиной, которая имеет покрытие, предназначенное для улавливания солнечной энергии и преобразования ее в тепло.Это генерируемое тепло передается «перекачивающей жидкости» (либо антифризу, либо питьевой воде), содержащейся в небольших трубках пластины.

Концентрированная солнечная энергия

Концентрированная солнечная энергия (также известная как концентрированная солнечная энергия или концентрация солнечной тепловой энергии) работает аналогично солнечной горячей воде, поскольку она преобразует солнечный свет в тепло. Технология CSP производит электричество, концентрируя солнечную тепловую энергию с помощью зеркал. В установке CSP зеркала отражают солнце в фокусе.В этой фокусной точке находится поглотитель или приемник , который собирает и хранит тепловую энергию.

CSP чаще всего используется в установках коммунального масштаба, чтобы обеспечить питание электросети.

Как работает подключение к сети с солнечными панелями?

Хотя выработка электроэнергии с помощью солнечных панелей может иметь смысл для большинства людей, до сих пор существует много общего неясного того, как сеть влияет на домашний солнечный процесс. В любом доме, подключенном к электрической сети, будет так называемый счетчик коммунальных услуг, который ваша коммунальная компания использует для измерения и подачи электроэнергии в ваш дом.Когда вы устанавливаете солнечные панели на крыше или на земле на своей территории, они в конечном итоге подключаются к счетчику коммунальных услуг вашего дома. Производство возобновляемой энергии вашей солнечной системы действительно может быть доступно и измерено этим счетчиком.

Большинство домовладельцев в США имеют доступ к чистым измерениям, что является основным стимулом для солнечной энергетики, который значительно улучшает экономику солнечной энергетики. Если у вас есть чистый счетчик, вы можете отправлять электроэнергию в сеть, когда ваша солнечная система перепроизводит (например, в течение дня в солнечные летние месяцы) в обмен на кредиты в вашем счете за электроэнергию.Затем, в часы низкой выработки электроэнергии (например, в ночное время или в пасмурные дни), вы можете использовать свои кредиты, чтобы получать дополнительную энергию из сети и удовлетворять потребность в электроэнергии для своего домашнего хозяйства. В некотором смысле чистые измерения предлагают бесплатное решение для хранения для владельцев недвижимости, которые используют солнечную энергию, почти как батарею, что делает солнечную энергию универсальным энергетическим решением.

Дополнительные важные детали к солнечным панелям

Помимо кремниевых солнечных элементов, типичный солнечный модуль имеет стеклянный корпус, обеспечивающий долговечность и защиту кремниевых фотоэлементов.Под внешним стеклом панель имеет слой изоляции и защитный задний лист, защищающий от рассеивания тепла и влаги внутри панели. Эта изоляция важна, потому что повышение температуры приведет к снижению эффективности, что приведет к снижению производительности солнечной панели.

Солнечные панели имеют антибликовое покрытие, которое увеличивает поглощение солнечного света и позволяет кремниевым элементам получать максимальное количество солнечного света. Кремниевые солнечные элементы обычно изготавливаются в двух формах: монокристаллической или поликристаллической.Монокристаллические элементы состоят из одного кристалла кремния, тогда как поликристаллические элементы состоят из фрагментов или осколков кремния. Моноформаты обеспечивают больше места для движения электронов и, таким образом, предлагают более эффективную солнечную технологию, чем поликристаллические, хотя обычно они дороже.

Часто задаваемые вопросы о том, как работают солнечные панели 

Узнать больше о том, как работают солнечные батареи, иногда может быть сложно, поэтому важно сделать это простым и понятным.Теперь, когда вы знаете больше о том, как солнечные панели генерируют электричество, и о том, что за этим стоят научные данные, ознакомьтесь с несколькими другими вопросами, которые обычно задают домовладельцы: 

Каковы два основных недостатка солнечной энергии?

Двумя основными недостатками солнечной энергии являются ее высокие первоначальные затраты и непостоянство. Хотя инвестиции в возобновляемые источники энергии окупаются в долгосрочной перспективе, эта технология, как правило, дороже, чем традиционные генераторы энергии, когда дело доходит до установки. К счастью, существуют финансовые стимулы, такие как налоговые льготы и скидки, которые помогут облегчить первоначальное бремя.Кроме того, проблемой может быть перемежаемость — возобновляемые источники энергии не доступны круглосуточно и без выходных круглый год. Например, солнечные панели производят меньше электроэнергии ночью и в пасмурные дни. Могут быть непредсказуемые погодные условия, влияющие на эффективность солнечных батарей, но вы можете рассмотреть вариант с аккумулятором в качестве резервного варианта. Прочитайте эту статью, чтобы узнать, нужно ли вам приобретать хранилище.

Можете ли вы запустить весь свой дом на солнечной энергии?

Да, вы можете производить достаточно электроэнергии для всего дома, используя солнечную энергию.Главное — убедиться, что ваши солнечные панели работают с максимальной эффективностью, выбрав правильный тип панели, установщика и лучший угол для вашего дома и ваших потребностей. Однако, хотя система солнечных панелей может компенсировать все ваше потребление энергии, нереально ожидать такого уровня производства каждый день из-за прерывистости. Установка хранилища поможет, если вы не хотите полагаться на сеть, когда не светит солнце.

У вас все еще есть счет за электричество с солнечными панелями?

Да, если вы подключены к сети, вы все равно получите счет за электроэнергию с солнечными панелями, но возможно, что вы ничего не будете должны. Однако, если ваши солнечные панели не производят достаточно энергии для удовлетворения ваших потребностей, или если вы увеличили потребление энергии с момента установки, вы, вероятно, все равно будете должны какую-то сумму своей коммунальной службе. Если вы хотите полностью полагаться на солнечную энергию, вам нужно будет добавить резервную солнечную батарею для сопряжения с вашими солнечными панелями.

Работают ли солнечные батареи ночью?

Несмотря на то, что некоторое количество электроэнергии может быть выработано из других источников света в ночное время, выходная мощность очень низкая, поскольку элементам солнечных панелей требуется солнечный свет.Когда солнечные панели соединены с солнечными батареями, энергия сохраняется в течение дня для использования в вечернее время и даже в пасмурные дни, когда солнечные панели не могут в полной мере использовать преимущества солнечного дня.

Как работают солнечные батареи в доме?

После определения количества панелей, необходимых для электроснабжения дома, панели монтируются на крыше, выходящей на юг, и устанавливаются под углом, чтобы в полной мере использовать солнечные лучи. Затем эти панели поглощают солнечный свет и преобразуют его в электричество, а для домовладельцев, предпочитающих солнечную батарею, накапливают энергию для использования в пасмурные дни или ночью.

Гарантия значительной экономии с солнечными панелями

Если вы хотите начать экономить деньги на электричестве и инвестировать в возобновляемые источники энергии, первое, с чего нужно начать, это сравнить расценки на солнечные панели. Вот где EnergySage может помочь: когда вы регистрируете бесплатную учетную запись на EnergySage Marketplace, мы предоставляем вам индивидуальные предложения от установщиков в вашем регионе. Так чего же вы ждете – начните свое собственное путешествие по чистой энергии с EnergySage уже сегодня!

низкое содержание cvr

содержание солнечной энергии в ядре

Как работают солнечные батареи | HowStuffWorks

Кремний обладает некоторыми особыми химическими свойствами, особенно в его кристаллической форме.Атом кремния имеет 14 электронов, расположенных на трех разных оболочках. Первые две оболочки, содержащие два и восемь электронов соответственно, полностью заполнены. Однако внешняя оболочка заполнена только наполовину и содержит всего четыре электрона. Атом кремния всегда будет искать способы заполнить свою последнюю оболочку, и для этого он поделится электронами с четырьмя соседними атомами. Это похоже на то, как каждый атом держится за руки со своими соседями, за исключением того, что в этом случае у каждого атома есть четыре руки, соединенные с четырьмя соседями.Это то, что формирует кристаллическую структуру , и эта структура оказывается важной для этого типа фотоэлемента.

Единственная проблема заключается в том, что чистый кристаллический кремний является плохим проводником электричества, потому что ни один из его электронов не может свободно перемещаться, в отличие от электронов в более оптимальных проводниках, таких как медь. Чтобы решить эту проблему, кремний в солнечном элементе имеет 90 149 примесей 90 150 — другие атомы, целенаправленно смешанные с атомами кремния, — что немного меняет принцип работы. Обычно мы думаем о примесях как о чем-то нежелательном, но в данном случае без них наша клетка работать не будет. Рассмотрим кремний с атомом фосфора здесь и там, может быть, один на каждый миллион атомов кремния. Фосфор имеет пять электронов на внешней оболочке, а не четыре. Он по-прежнему связан с соседними атомами кремния, но в каком-то смысле у фосфора есть один электрон, которому не с кем держаться за руки. Он не является частью связи, но в ядре фосфора есть положительный протон, удерживающий его на месте.

Когда к чистому кремнию добавляется энергия, например, в виде тепла, это может привести к тому, что несколько электронов разорвут свои связи и покинут свои атомы. В каждом случае остается отверстие. Эти электроны, называемые свободными носителями , затем беспорядочно блуждают по кристаллической решетке в поисках другой дыры, в которую можно попасть, и переносят электрический ток. Однако в чистом кремнии их так мало, что они не очень полезны.

Но наш нечистый кремний с примесью атомов фосфора — это совсем другая история. Требуется намного меньше энергии, чтобы выбить один из наших «лишних» электронов фосфора, потому что они не связаны связью с какими-либо соседними атомами. В результате большинство этих электронов вырываются на свободу, и у нас гораздо больше свободных носителей, чем было бы в чистом кремнии. Процесс добавления примесей специально называется легированием , а при легировании фосфором полученный кремний называется N-типа («n» для отрицательного) из-за преобладания свободных электронов. Легированный кремний N-типа является гораздо лучшим проводником, чем чистый кремний.

Другая часть типичного солнечного элемента легирована элементом бором, который имеет только три электрона во внешней оболочке вместо четырех, чтобы стать кремнием P-типа. Вместо свободных электронов P-типа («p» для положительного) имеет свободные отверстия и несет противоположный (положительный) заряд.

На следующей странице мы более подробно рассмотрим, что происходит, когда эти два вещества начинают взаимодействовать.

Как работают солнечные батареи? – Советник Forbes

Примечание редакции. Мы получаем комиссию за партнерские ссылки в Forbes Advisor.Комиссии не влияют на мнения или оценки наших редакторов.

Сравните предложения лучших установщиков солнечных панелей

Бесплатные оценки без обязательств

Вы, наверное, слышали, что лучшие солнечные панели — это умный и эффективный источник энергии, но, возможно, вы сомневаетесь, покупать ли их для дома. Излишне говорить, что есть несколько веских причин, чтобы рассмотреть возможность использования солнечной энергии, но это лишь часть процесса принятия решения.

Если некоторые из ваших сомнений по поводу использования солнечных батарей вызваны тем, что вы не совсем поняли, как работает этот новаторский источник энергии, мы вас поймаем.

Как работают солнечные панели?

Они сказали, что знание — это сила, поэтому, имея некоторую информацию о том, как работают солнечные батареи и чего ожидать, если вы решите их использовать, мы думаем, что вы будете более склонны принять это «умное» решение для своего дома. Так как же работают солнечные батареи? Приготовьтесь быть впечатленным и удивленным.Первое, что вы должны знать, это то, что солнечные панели используют энергию солнца и, как таковые, являются практически бесконечным источником энергии.

Солнечный свет улавливается или используется солнечными панелями и преобразуется в энергию или электричество, которое можно использовать для выполнения всех необходимых функций, для которых вы в противном случае использовали бы другие источники энергии, но они способны создавать эту энергию определенным образом. которые могут спасти не только планету, но и ваши деньги.

Процесс преобразования энергии, новаторский и революционный, распространился по всему миру, как лесной пожар, и, по мнению ученых и исследователей, в ближайшем будущем станет основным источником энергии во всем мире.Вот шаги по созданию энергии с помощью солнечных батарей:

1. Солнечные панели установлены и загрунтованы

После того, как солнечные панели будут установлены в вашем доме (обычно они располагаются на крыше), они заряжены и готовы улавливать мощные солнечные лучи. Воздействие солнечного света или лучей, соприкасающихся с солнечными панелями, формирует электрическое поле, которое используется панелями.

2. Солнечные панели прямого электричества

Солнечные панели состоят из токопроводящего провода, который обычно располагается по периметру солнечных панелей и выполняет задачу направления электричества, вырабатываемого при прямом контакте солнечного света с солнечными панелями.

3. Преобразование электроэнергии

Генерируемое электричество проходит по токопроводящему проводу и направляется в важный компонент солнечных батарей, называемый инвертором. Функция или цель инвертора состоит в том, чтобы преобразовывать электричество из одной формы (известной как электричество постоянного тока) в форму, которую можно использовать в качестве энергии, или электричество переменного тока. Это электричество переменного тока — это то, что дома и здания используют для создания света, электроприборов и многого другого.

4.

Электроэнергия распределена

После того, как необработанное электричество постоянного тока преобразуется в пригодное для использования электричество переменного тока, оно направляется по проводам от инвертора к электрической панели, которая распределяет или распределяет это электричество по мере необходимости.Другое популярное название электрического щита, с которым вы, возможно, более знакомы, — это распределительная коробка, которая обычно располагается снаружи, но в непосредственной близости от фактического дома.

5. Каналы коммунальных сетей Энергия

Если вы используете газ или мазут для питания своего дома, у вас, скорее всего, установлен счетчик для контроля и расчета использования. Точно так же солнечные панели используют счетчик для расчета того, сколько электроэнергии вырабатывается солнечными панелями. Если ваши солнечные батареи производят больше электроэнергии, чем требуется вашему дому в любой момент времени, избыточная электроэнергия направляется через счетчик коммунальных услуг в так называемую коммунальную сеть.

По мере того, как избыточное электричество проходит через счетчик, оно заставляет счетчик переключаться в обратном направлении и, таким образом, дает «кредит» на электроэнергию для вашего дома. Таким образом, по сути, вы платите только за солнечную энергию или солнечную электроэнергию, которую вы фактически используете, и в целом солнечная энергия заметно дешевле, чем другие традиционные источники энергии.

причин установить солнечные батареи в вашем доме

Экономичность

Роджер Эммер, директор по маркетингу продуктов компании Vivint Smart Home, считает, что солнечные панели являются разумным выбором по многим причинам, но для многих наиболее убедительной является экономическая эффективность использования солнечных панелей, которая не требует много времени. осознать.

Он делится: «С точки зрения выбора энергии, солнечные панели являются гораздо более разумным вариантом для домовладельцев по двум основным причинам. Первый финансовый. Поскольку солнечные батареи могут удовлетворить некоторые или все потребности дома в электричестве, из сети потребляется меньше энергии, что означает значительно более низкие ежемесячные счета за коммунальные услуги».

Простота установки и обслуживания

Эммер также считает, что солнечные панели являются привлекательным вариантом из-за простоты их установки в доме, а также простоты их обслуживания.Солнечные панели практически устраняют головную боль и хлопоты, связанные с опасными утечками газа или поломками котлов, и это лишь некоторые из препятствий, которые использование этих более дорогостоящих источников электроэнергии создает для домовладельцев.

Наоборот, в случае с солнечными панелями Эммер отмечает, что «обслуживание требуется только тогда, когда что-то работает неправильно. Общее техническое обслуживание, такое как чистка солнечных панелей, рекомендуется проводить не реже одного раза в год». Он добавляет: «Солнечные панели, как правило, не требуют особого обслуживания, поэтому вам не о чем беспокоиться с точки зрения добавления и использования солнечных панелей в вашем доме.

Адаптируется к любому образу жизни и местоположению

Если вы беспокоитесь о том, идеально ли вы и ваш дом подходите для солнечных батарей, в основном из-за того, где вы живете, вы также можете развеять эти опасения. Солнечные панели не только позволяют домовладельцам подключаться к бесконечному и обильному источнику энергии, но и являются жизнеспособным решением практически для всех домовладельцев, независимо от того, где вы живете.

Эммер поясняет: «Там, где есть солнце, есть и энергия, поэтому [солнечные панели] могут работать где угодно и повсюду экономить деньги домовладельцев.При этом каждый штат предлагает разные стимулы, и каждая энергетическая компания отличается, поэтому обязательно изучите варианты, характерные для вашего штата».

Несмотря на то, что солнечная энергия есть практически везде, а солнечные панели могут использовать практически все, важно отметить, что не все солнечные панели и компании, которые их поставляют, а также вырабатываемую ими энергию, работают на одном игровом поле, поэтому как и во всем, важно сделать домашнее задание, провести исследование и принять обоснованное решение.
Эммер советует: «Не все солнечные компании одинаковы. Каждый из них будет предлагать разные продукты и цены, поэтому важно провести исследование».

Solar предлагает резервный источник питания

В то время как солнечные панели революционизируют и меняют то, как люди во всем мире безопасно и эффективно питают свои дома, наличие резервного источника питания всегда является разумной идеей, если что-то пойдет не так, и в результате ваша солнечная энергия временно отключится.

«Наличие резервного источника энергии очень важно в случае чрезвычайной ситуации, — предупреждает Эммер.«Теперь доступны решения для резервного питания всего дома, которые могут обеспечить работу вашего дома в течение нескольких дней в случае чрезвычайной ситуации. В последнее время мы наблюдаем много достижений в этой области и ожидаем, что их будет еще больше, поскольку домовладельцы начинают понимать, что они действительно могут построить дом с нулевым энергопотреблением и контролировать свои потребности в энергии».

Итог

После того, как солнечные панели установлены в вашем доме, вам не нужно ничего делать, «кроме как наблюдать, как они уменьшают ваш счет и заставляют вас чувствовать себя лучше в отношении своего углеродного следа», — предлагает Эммер. Если вам нужно еще раз убедиться, что солнечные панели — отличный выбор для вас и вашего дома, Emmer предлагает еще одну вескую причину, по которой вам следует подумать об установке солнечных панелей.

«Солнечная энергия — это действительно возобновляемый и чистый источник энергии, который не выделяет вредных загрязняющих веществ, таких как ископаемое топливо», — говорит Эммер. «Сокращение вашего углеродного следа приносит настоящее спокойствие, поэтому вы не просто инвестируете в свой дом, вы инвестируете в будущее планеты».

Сравните предложения лучших установщиков солнечных панелей

Бесплатные оценки без обязательств

Как работают солнечные батареи?

Криса Вудфорда.Последнее обновление: 22 января 2022 г.

Почему мы тратим время на бурение нефтяных скважин и сгребать уголь, когда в небе над нами гигантская электростанция, посылающая чистая, нон-стоп энергия бесплатно? Солнце, бурлящий шар ядерная энергетика, имеет достаточно топлива на борту управлять нашей Солнечной системой еще пять миллиардов лет, а солнечные панели может превратить эту энергию в бесконечную, удобную снабжение электричеством.

Солнечная энергия может показаться странной или футуристической, но это уже довольно обыденность.У вас могут быть кварцевые часы с солнечной батареей на запястье или карманный калькулятор на солнечных батареях. У многих людей есть фонари на солнечных батареях. в их саду. Космические корабли и спутники обычно имеют солнечные батареи на них тоже. Американское космическое агентство НАСА даже разработало аппарат на солнечных батареях. самолет! Как глобальное потепление продолжает угрожать окружающей среде, мало кто сомневается в том, что солнечная энергия станет еще более важной формой возобновляемой энергии в будущем. Но как именно это работает?

Фото: самолет НАСА Pathfinder на солнечных батареях.Верхняя поверхность крыла покрыта легкими солнечными панелями, которые питают пропеллеры самолета. Изображение предоставлено Центр летных исследований НАСА имени Армстронга.

Сколько энергии мы можем получить от Солнца?

Солнечная энергия удивительна. В среднем каждый квадратный метр земли поверхность получает 163 ватта солнечной энергии (цифра, которую мы объясним более подробно чуть позже). [1] Иными словами, на каждом квадратном метре помещения можно было бы поставить действительно мощную (150 Вт) настольную лампу. поверхность Земли и осветить всю планету энергией Солнца! Или, если поставить по-другому, если бы мы покрыли только один процент пустыни Сахара солнечными панели, мы могли бы генерировать достаточно электроэнергии чтобы привести в действие весь мир.[2] Вот чем хороша солнечная энергия: их ужасно много — гораздо больше, чем мы могли бы когда-либо использовать.

Фото: Количество энергии, которую мы можем получить от солнечного света, минимально на восходе и закате, а максимум в полдень, когда Солнце находится прямо над головой.

Но есть и обратная сторона. Энергия, которую излучает Солнце, поступает на Земля как смесь света и тепла. Оба они невероятно важно — свет заставляет растения расти, обеспечивая нас пищей, а жара согревает нас достаточно, чтобы выжить, но мы не можем использовать ни Солнечный свет или тепло непосредственно для запуска телевизора или автомобиля. Мы должны найти способ преобразования солнечной энергии в другие формы энергии, которые мы можно использовать более легко, например, электричество. И это именно то, что солнечно клетки делают.

Что такое солнечные батареи?

Солнечная батарея — это электронное устройство, которое улавливает солнечный свет и превращает его непосредственно в электричество. Он размером с ладонь взрослого человека, имеет восьмиугольную форму и окрашен в иссиня-черный цвет. Солнечные элементы часто объединяются в более крупные блоки, называемые солнечными модулями . объединены в еще более крупные блоки, известные как солнечные панели (черные или окрашенные в синий цвет плиты, которые вы видите в домах людей, обычно с несколькими сто отдельных солнечных элементов на крышу) или порубить на щепки (до обеспечивают питание для небольших гаджетов, таких как карманные калькуляторы и цифровые часы).

Фото: Крыша этого дома покрыта 16 солнечными панелями, каждая из которых состоит из сетки 10×6 = 60 маленьких солнечных элементов. В хороший день он, вероятно, вырабатывает около 4 киловатт электроэнергии.

Точно так же, как элементы в батарее, элементы в солнечные панели предназначены для выработки электроэнергии; но где батарея клетки производят электричество из химических веществ, элементы солнечной панели генерируют энергию, вместо этого захватывая солнечный свет. Их иногда называют фотоэлектрическими (PV) клеток, потому что они используют солнечный свет («фото» происходит от греческого слова «свет») для производства электричества (т. слово «voltaic» является ссылкой на итальянского пионера электричества. Алессандро Вольта, 1745–1827).

Мы можем думать, что свет состоит из мельчайших частиц, называемых фотонов , поэтому луч солнечного света похож на ярко-желтый огонь шланг, стреляющий триллионами триллионов фотонов в нашу сторону. Приклейте солнечный элемент на своем пути, и он ловит эти энергичные фотоны и преобразует их в поток электронов — электрический ток. Каждая ячейка вырабатывает несколько вольт электричества, поэтому работа солнечной панели заключается в объединении энергии, производимой многими клетками, для получения полезного количества электрического тока и Напряжение. Практически все современные солнечные батареи сделаны из кусочков кремния (один из самых распространенных химических элементов на Земле, обнаружен в песке), хотя, как мы вскоре увидим, множество других материалов также можно использовать (или вместо него). Когда солнечный свет падает на солнечный элемент, энергия он вырывает электроны из кремния. Этих можно заставить обтекать электрическую цепь и питать все, что работает на электричество. Это довольно упрощенное объяснение! Теперь давайте возьмем поближе…

Как делают солнечные батареи?

Фото: одиночный солнечный элемент.Фотография Рика Митчелла, предоставлена ​​Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL).

Кремний это материал, из которого делают транзисторы (крошечные переключатели) в микрочипах — и солнечные элементы работают аналогичным образом. Кремний — это тип материала, который называется полупроводником. Некоторые материалы, особенно металлы, пропускают через себя электричество. очень легко; их называют проводниками. Другие материалы, такие как пластик и дерево, не очень пусть электричество течет через них в все; их называют изоляторами.Полупроводники, такие как кремний, ни проводники, ни изоляторы: они обычно не проводят электричество, но при определенных обстоятельствах мы можем заставить их это сделать.

Солнечная батарея представляет собой сэндвич из двух разных слоев кремния, были специально обработаны или легированы, чтобы они позволит электричеству течь через них определенным образом. Нижний слой легирован, поэтому у него слишком мало электронов. Он называется кремнием р-типа или кремнием положительного типа (потому что электроны отрицательно заряжены, и в этом слое их слишком мало).Верхний слой легирован противоположным образом, что дает ему слишком много электронов. Это называется кремнием n-типа или отрицательным типом. (Ты подробнее о полупроводниках и легировании можно прочитать в наших статьях о транзисторах и интегральные схемы.)

Когда мы помещаем слой кремния n-типа на слой p-типа кремний, барьер создается на стыке двух материалов ( важнейшая граница, где встречаются два вида кремния). Нет электроны могут пересекать барьер, поэтому, даже если мы соединим этот кремний бутерброд с фонариком, ток не пойдет: лампочка не загорится вверх.Но если мы прольем свет на бутерброд, произойдет нечто замечательное. бывает. Мы можем думать о свете как о потоке энергетического «света». частицы», называемые фотонами. Когда фотоны входят наш бутерброд, они отдают свою энергию атомам в кремнии. Приходящая энергия выбивает электроны из нижнего слоя p-типа, поэтому Oни перепрыгнуть через барьер на слой n-типа выше и обтекать схема. То чем больше света светит, тем больше электронов подпрыгивает и тем больше ток течет.

Это то, что мы подразумеваем под фотогальваникой — напряжение, создающее свет, — и это один из видов того, что ученые называют фотоэлектрическим эффектом.

Теперь подробнее…

Это базовое введение в солнечные батареи, и если это все, что вам нужно, вы можете остановиться здесь. В оставшейся части этой статьи более подробно рассматриваются различные типы солнечных элементов, как люди применяют солнечную энергию на практике, и почему солнечная энергия занимает так много времени поймать.

Насколько эффективны солнечные батареи?

Основное правило физики, называемое законом сохранения энергии, гласит: что мы не можем волшебным образом создать энергию или заставить ее раствориться в тонком воздуха; все, что мы можем сделать, это преобразовать его из одной формы в другую.Это означает Солнечная батарея не может производить больше электроэнергии, чем она воспринимает каждую секунду как свет. На практике, как мы скоро увидим, большинство клеток преобразуют около 10–20 процентов энергии, которую они получать в электричество. Типичная кремниевая солнечная батарея с одним переходом ячейка имеет теоретическую максимальную эффективность около 30 процентов, известную как Предел Шокли-Квиссера . Это в основном потому, что солнечный свет содержит широкую смесь фотонов разных длин волн и энергии, и любой однопереходный солнечный элемент будет оптимизирован для ловить фотоны только в пределах определенного частотного диапазона, тратя впустую остальные. Некоторым фотонам, попадающим в солнечный элемент, не хватает энергии, чтобы выбить электроны, так что они эффективно тратятся впустую, в то время как у некоторых слишком много энергии, и избыток также тратится впустую. Очень лучшие, передовые лабораторные клетки могут справиться чуть менее чем с 50 процентами эффективность в абсолютно идеальных условиях с использованием нескольких соединений ловить фотоны разных энергий.

Диаграмма: Сравнение эффективности солнечных элементов: Самый первый солнечный элемент работал с КПД всего 6 процентов; самый эффективный, который был произведен на сегодняшний день 47.1 процент в лабораторных условиях. Большинство клеток относятся к типу клеток первого поколения, которые теоретически могут управлять примерно 15 процентами, а на практике — примерно 8 процентами.

Реальные домашние солнечные панели могут достигать КПД около 15 процентов, дайте процентный пункт здесь или там, и это вряд ли станет намного лучше. Однопереходные солнечные элементы первого поколения не собираются приближаться 30-процентная эффективность предела Шокли-Квиссера, не говоря уже о лабораторный показатель 47,1 процента. Все виды надоедливых факторов реального мира будут съедать номинальную эффективность, включая конструкцию панелей, их расположение и под углом, находятся ли они когда-нибудь в тени, насколько чистыми вы их держите, как они становятся горячими (повышение температуры имеет тенденцию снижать их эффективность), и вентилируются ли они (позволяют воздуху циркулировать под ними) чтобы они были прохладными.

Типы фотоэлектрических солнечных элементов

Большинство солнечных батарей, которые вы сегодня увидите на крышах людей, по сути просто силиконовые бутерброды, специально обработанные («легированные») сделать их лучшими проводниками электричества. Ученые относят к ним классические солнечные элементы как первое поколение, в основном для дифференциации их из двух разных, более современных технологий, известных как вторичные и третьего поколения. Так какая разница?

Первое поколение

Фото: Красочная коллекция солнечных батарей первого поколения. Изображение предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Более 90 процентов солнечных элементов в мире сделаны из пластин кристаллического кремния (сокращенно c-Si), нарезанного из крупных слитков, которые выращиваются в сверхчистых лабораториях в процессе, который может на выполнение уходит до месяца. [3] Слитки либо принимают форму монокристаллы ( монокристаллы или монокристаллы Si) или содержащие несколько кристаллов ( поликристаллы , мульти-Si или поли c-Si).

Солнечные батареи первого поколения работают так же, как и мы показано в рамке вверху: они используют одно простое соединение между слоями кремния n-типа и p-типа, которые нарезаны из отдельные слитки.Таким образом, слиток n-типа будет получен путем нагревания кусков. кремния с небольшим количеством фосфора, сурьмы или мышьяка в качестве легирующей примеси, в то время как слиток p-типа будет использовать бор в качестве легирующей примеси. Затем кусочки кремния n-типа и p-типа сплавляются, чтобы получить узел. Добавлено еще несколько наворотов (например, антибликовое покрытие, которое улучшает светопоглощение и придает фотогальванические элементы их характерный синий цвет, защитное стекло спереди и пластиковой подложкой, а также металлическими соединениями, чтобы ячейка могла быть включенным в цепь), но сутью всего этого является простой p-n переход. большинство солнечных батарей.Это в значительной степени то, как все фотоэлектрические кремниевые солнечные батареи клетки работают с 1954 года, когда ученые из Bell Labs изобрели технологию: сияющий солнечный свет на кремнии, извлеченном из песок, они вырабатывали электричество.

Второе поколение

Фото: Тонкопленочная солнечная панель второго поколения. Энергогенерирующая пленка изготовлена ​​из аморфного кремния, закрепленного на тонкой, гибкой и относительно недорогой пластиковой подложке («подложке»). Фото Уоррена Гретца предоставлено NREL. (идентификатор изображения № 6321083).

Классические солнечные элементы представляют собой относительно тонкие пластины — обычно доля миллиметра в глубину (около 200 микрометров, 200 мкм или около того). Но они абсолютные плиты по сравнению со вторым поколением элементы, широко известные как тонкопленочные солнечные элементы (TPSC) или тонкопленочные фотоэлектрические элементы (TFPV), которые примерно в 100 раз снова тоньше (несколько микрометров или миллионные доли метра в глубину). Хотя большинство из них по-прежнему изготавливается из кремния (другая форма, известная как аморфный кремний, a-Si, в котором атомы расположены случайным образом вместо точно упорядоченной в правильной кристаллической структуре), некоторые из них изготовлены из других материалов, в частности теллурида кадмия (Cd-Te) и диселенид меди-индия-галлия (CIGS).[4]

Солнечные элементы второго поколения очень тонкие, легкие и гибкие. ламинированные на окна, световые люки, черепицу и все виды «подложки» (материалы основы), включая металлы, стекло и полимеры (пластмассы). То, что клетки второго поколения приобретают в гибкости, они жертвуют в эффективность: классические солнечные элементы первого поколения по-прежнему превосходят их. Таким образом, в то время как первоклассная ячейка первого поколения может достичь эффективность 15-20 процентов, аморфный кремний изо всех сил пытается превзойти 7 процентов, лучшие тонкопленочные элементы Cd-Te выдерживают только около 11 процентов, а клетки CIGS не лучше, чем 7-12 процентов.Это один причина, почему, несмотря на их практические преимущества, второе поколение элементы до сих пор оказали относительно небольшое влияние на рынок солнечной энергии.

Третье поколение

Фото: Пластиковые солнечные элементы третьего поколения, созданные исследователями Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии. Фото Джека Демпси предоставлено NREL. (идентификатор изображения № 6322357).

Новейшие технологии сочетают в себе лучшие черты первых и клетки второго поколения. Подобно клеткам первого поколения, они обещают относительно высокий КПД (30 и более процентов).Нравится клетки второго поколения, они, скорее всего, будут сделаны из материалы, отличные от «простого» кремния, такие как аморфный кремний, органические полимеры (изготовление органических фотоэлектрических элементов, OPV), кристаллы перовскита, и имеют несколько переходов (сделанных из нескольких слоев различных полупроводниковых материалов). материалы). В идеале, это сделало бы их дешевле, эффективнее, и более практичны, чем ячейки первого или второго поколения. В настоящее время мировой рекорд эффективности для солнечных батарей третьего поколения составляет 28 процентов, достигнуто с помощью тандемного солнечного элемента из перовскита и кремния в декабре 2018 года.

Сколько энергии мы можем получить с помощью солнечных батарей?

«Суммарная солнечная энергия, достигающая Земли Поверхность может удовлетворить существующие глобальные потребности в энергии в 10 000 раз больше».

Европейская ассоциация фотоэлектрической промышленности/Гринпис, 2011 .

Теоретически огромное количество. Забудем пока о солнечных батареях и просто подумайте о чистом солнечном свете. До 1000 ватт сырой солнечной энергии попадает на каждый квадратный метр Земли, направленной прямо на Солнце (это теоретическая мощность прямого полуденного солнечного света на безоблачный день — солнечные лучи падают перпендикулярно поверхность и дающая максимальную освещенность или инсоляцию , так как это технически известно).

На практике, после того как мы скорректировали наклон планеты и времени суток, лучшее, что мы можем получить, это может быть 100–250 Вт на квадратный метр в типичных северных широтах. (даже в безоблачный день). Это составляет около 2–6 кВтч в день. (в зависимости от того, находитесь ли вы в северном регионе, таком как Канада или Шотландия или где-нибудь более услужливый, например, в Аризоне или Мексике). Умножение на годовое производство дает нам где-то от 700 до 2500 кВтч на квадратный метр (700–2500 единиц электричество).Более жаркие регионы явно имеют гораздо большую солнечную потенциал: Ближний Восток, например, получает около 50–100 процентов больше полезной солнечной энергии каждый год, чем в Европе.

К сожалению, типичные солнечные элементы составляют всего около 15 процентов. эффективным, поэтому мы можем зафиксировать только часть этого теоретического энергия. Вот почему солнечные панели должны быть такими большими: количество сила, которую вы можете создать, очевидно, напрямую связана с площадью, которую вы может позволить себе покрыть ячейками. Один солнечный элемент (примерно размером компакт-диска) может генерировать около 3–4.5 Вт; типичный солнечный модуль из массива около 40 ячеек (5 рядов по 8 ячейки) может составлять около 100–300 Вт; несколько солнечных батарей, каждая из примерно 3–4 модулей, поэтому мог генерировать абсолютный максимум несколько киловатт (вероятно, достаточно, чтобы удовлетворить потребность в пиковой мощности).

Что насчет солнечных ферм?

Фото: Огромный 91 гектар (225 акров) проект солнечной генерации Alamosa в Колорадо вырабатывает до 30 мегаватт солнечной энергии с помощью трех хитрых уловок.Во-первых, существует огромное количество фотоэлектрических панелей (500 штук, каждая способна мощности 60кВт). Каждая панель установлена ​​на отдельном вращающемся узле, поэтому она может отслеживать движение Солнца по небу. И у каждого есть несколько линз Френеля, установленных сверху, чтобы концентрировать солнечные лучи на своих солнечных батареях. Фото Денниса Шредера предоставлено NREL. (идентификатор изображения № 10895528).

Но предположим, что мы хотим получить действительно больших количеств солнечной энергии. сила. Вырабатывать столько электроэнергии, сколько здоровенный ветряк (с пиковая выходная мощность, возможно, два или три мегаватта), вам нужно около 500–1000 солнечных крыш.И конкурировать с крупным угольным или ядерным электростанция (оценивается в гигаваттах, что означает тысячу мегаватт или миллиарды ватт), вам снова потребуется в 1000 раз больше — эквивалент около 2000 ветряных турбин или, возможно, миллион солнечных крыш. (Эти сравнения предполагают, что наша солнечная энергия и ветер производят максимальную мощность.) Даже если солнечные батареи являются чистыми и эффективными источниками энергии, одна вещь, на которую они не могут претендовать в данный момент, эффективна использования земли. Даже те огромные солнечные фермы, которые сейчас появляются повсюду место производит лишь скромное количество энергии (обычно около 20 мегаватт, или около 1 процента, как почти как большая угольная или атомная электростанция мощностью 2 гигаватт). Возобновляемая Великобритания Компания Ecotricity подсчитала, что требуется около 22 000 панелей, уложенных поперек Участок площадью 12 гектаров (30 акров) для выработки 4,2 мегаватт электроэнергии, примерно столько же, сколько два больших ветра турбин и достаточно для питания 1200 домов.

Власть народу

Фото: Ветряная микротурбина и солнечная панель работают вместе, чтобы питать аккумуляторы, которые днем ​​и ночью освещают этот предупреждающий знак о строительстве дороги. Солнечная панель установлена, обращенной к небу, на плоской желтой «крышке», которую вы видите прямо над дисплеем.

Некоторые люди обеспокоены тем, что солнечные фермы сожрут землю, которую мы потребность в реальном сельском хозяйстве и производстве продуктов питания. Беспокойство о захват земли упускает важный момент, если мы говорим о размещении солнечной панели на отечественных кровлях. Экологи утверждают, что реальный смысл солнечной энергетики не в том, чтобы создавать большие централизованные солнечные электростанции (поэтому мощные коммунальные предприятия могут продолжать продавать электричество бесправным людям с высокой прибылью), но вытеснить грязные, неэффективные, централизованные электростанции, позволяя людям сами производят власть в том самом месте, где они ее используют. Тот устраняет неэффективность производства электроэнергии на ископаемом топливе, загрязнение воздуха и выбросы углекислого газа, которые они производят, а также устраняет неэффективность передачи энергии с точки зрения генерация до точки использования через воздушные или подземные электростанции линии. Даже если вам придется покрыть всю крышу солнечными панелями. (или заламинируйте все окна тонкопленочными солнечными батареями), если бы вы могли удовлетворить все ваши потребности в электроэнергии (или даже большую часть их), это не имело бы значения: ваша крыша в любом случае просто пустая трата места.Согласно отчету Европейской фотоэлектрической промышленности за 2011 г. [PDF]. Ассоциация и Гринпис, нет необходимости покрывать ценные сельскохозяйственные угодья с солнечными панелями: около 40 процентов всех крыш и 15 процентов фасадов зданий в странах ЕС подходят для фотоэлектрических систем панелей, что составляет примерно 40 процентов от общего количества спрос на электроэнергию к 2020 году.

Важно не забывать, что солнечная энергия меняет мощность поколения на точка мощности потребление —и это имеет большой практический преимущества.Теоретически наручные часы и калькуляторы на солнечных батареях не нуждаются в батареях (на практике у них есть резервные батареи) и многие из нас наслаждались бы смартфонами на солнечных батареях, в которых никогда не было необходимости. зарядка. Дорожные и железнодорожные знаки теперь иногда питаются от солнечной энергии; мигающие знаки аварийного обслуживания часто имеют установленные солнечные батареи поэтому их можно развернуть даже в самых отдаленных местах. В развивающиеся страны, богатые солнечным светом, но бедные электричеством инфраструктура, солнечные батареи питают водяные насосы, телефонные будки, и холодильники в больницах и поликлиниках.

Почему солнечная энергия еще не прижилась?

Ответом на это является смесь экономических, политических и технологические факторы. С экономической точки зрения в большинстве стран, электроэнергия, вырабатываемая солнечными панелями, по-прежнему дороже, чем электроэнергия, полученная путем сжигания грязных, загрязняющие ископаемые виды топлива. В мире огромные инвестиции в ископаемые топливная инфраструктура и, хотя мощные нефтяные компании баловались в ответвлениях солнечной энергетики, они, кажется, гораздо больше заинтересованы в продление срока службы существующих запасов нефти и газа с такие технологии, как фрекинг (гидроразрыв пласта).В политическом плане нефтяные, газовые и угольные компании чрезвычайно могущественный и влиятельный и противостоять виду окружающей среды правила, которые благоприятствуют возобновляемым технологиям, таким как солнечная и ветровая энергия сила. С технологической точки зрения, как мы уже видели, солнечные батареи представляют собой постоянная «незавершенная работа» и большая часть мировой солнечной инвестиции по-прежнему основаны на технологии первого поколения. Кто знает, возможно, пройдет еще несколько десятилетий, прежде чем недавние научные достижения делают экономическое обоснование для солнечной энергетики действительно привлекательным?

Одна из проблем с аргументами такого рода состоит в том, что они весят только основные экономические и технологические факторы и не учитывают скрытые экологические затраты на такие вещи, как разливы нефти, загрязнение воздуха, разрушение земель в результате добычи угля или изменение климата изменения — и особенно будущие затраты, которые трудно или невозможно предсказать. Вполне возможно, что растущее осознание из этих проблем ускорит переход от ископаемого топлива, даже если нет дальнейшего технического прогресса; другими словами, может наступить время, когда мы больше не сможем откладывать всеобщее принятие возобновляемых источников энергии. В конечном итоге все эти факторы взаимосвязаны. При убедительном политическом руководстве мир мог бы посвятить себя солнечной революции завтра: политика может заставить технологические усовершенствования, которые меняют экономику солнечной энергетики.

И одной экономики может быть достаточно. Темп технологий, инновации в производства, а эффект масштаба продолжает снижать Стоимость солнечных батарей и панелей. Только с 2008 по 2009 г. по словам аналитика окружающей среды BBC Роджер Харрабин, цены упали примерно на 30 процентов, а Растущее доминирование Китая в производстве солнечной энергии с тех пор продолжает гнать их вниз. В период с 2010 по 2016 год стоимость крупномасштабных фотоэлектрических систем упала. примерно на 10-15% в год, согласно Управление энергетической информации США; в целом цена перехода на солнечную энергию за последнее десятилетие упала примерно на 90 процентов, что еще больше укрепило позиции Китая на рынке.Шесть из десяти ведущих мировых производителей солнечных батарей теперь китайцы; в 2016 году около двух третей новых солнечных мощностей в США приходилось на Китай, Малайзию и Южную Корею.

Фото: Солнечные батареи — не единственный способ получать энергию из солнечного света. обязательно, лучший способ. Мы также можем использовать солнечную тепловую энергию (поглощающую тепло солнечного света для нагрева воды в вашем доме), пассивную солнечную энергию (проектирование здания для поглощения солнечного света) и солнечные коллекторы (показаны здесь). В этой версии 16 зеркал собирать солнечный свет и концентрировать его на двигателе Стирлинга (серый прямоугольник справа), который является чрезвычайно эффективным производителем энергии.Фото Уоррена Гретца предоставлено NREL (идентификатор изображения № 6323238).

Быстро наверстываете упущенное?

Ожидается, что переломный момент для солнечной энергетики наступит, когда она сможет достичь чего-то под названием четность сетки , что означает, что Солнечная электроэнергия, которую вы производите самостоятельно, становится такой же дешевой, как мощность, которую вы покупаете из сети. Многие европейские страны ожидают достичь этого рубежа к 2020 году. Компания Solar, безусловно, впечатляющие темпы роста в последние годы, но важно помните, что он по-прежнему представляет собой лишь часть всего мира энергия.В Великобритании, например, солнечная промышленность «веховое достижение» в 2014 году, когда он почти удвоил общее количество установленная мощность солнечных панелей ориентировочно от 2,8 ГВт до 5 ГВт. Но что по-прежнему представляет собой лишь пару крупных электростанций и, на максимум вывод , всего 8 процентов от общего числа в Великобритании потребность в электроэнергии примерно 60 ГВт (с учетом таких вещей, как облачность уменьшит его до какой-то доли 8 процентов).

По данным Управления энергетической информации США, в США, где была изобретена фотоэлектрическая технология, по состоянию на 2018 г. солнечный представляет только 1.6 процентов от общего производства электроэнергии в стране. Это примерно на 23 процента больше, чем в 2017 году (когда доля солнечной энергии составляла 1,3 процента), и на 80 процентов больше, чем в 2016 году (когда этот показатель составлял 0,9 процента). и примерно в четыре раза больше, чем в 2014 году (когда доля солнечной энергии составляла всего 0,4 процента). Тем не менее, это все еще примерно в 20 раз меньше, чем угля. и в 40 раз меньше, чем все виды ископаемого топлива. Другими словами, даже 10-кратное увеличение солнечной энергии в США увидеть, что он производит не намного больше половины электроэнергии, чем сегодня уголь (10 × 1,6 = 16 процентов по сравнению с 27.4 процента на уголь в 2018 году). Это отметить, что два основных ежегодных энергетических обзора в мире, Статистический обзор мировой энергетики и международного В ключевой статистике мировой энергетики Энергетического агентства почти не упоминается солнечная энергия. мощность вообще, кроме как в сноске.

Диаграмма

: Солнечная энергия с каждым годом вырабатывает больше электроэнергии, но все еще далеко от нее столько же, сколько угля. На этой диаграмме сравнивается процент электроэнергии, вырабатываемой в Соединенных Штатах солнечными батареями. электроэнергия (зеленая линия) и уголь (красная линия).В одних странах ситуация лучше, а в других хуже. Нарисовано сайтомобъясненияэташтуфф.com с использованием исторических и текущих данных из Управление энергетической информации США.

Изменится ли это в ближайшее время? Просто может. Согласно Статья 2016 года исследователей из Оксфордского университета, стоимость солнечной энергии сейчас падает так быстро, что она может обеспечить 20 процентов мировых энергетических потребностей к 2027 году, что станет шагом вперед по сравнению с тем, что мы имеем сегодня, и гораздо более высокие темпы роста, чем кто-либо ранее прогнозировал.Могут ли продолжаться такие темпы роста? Может ли солнечная энергия действительно повлиять на изменение климата, пока не стало слишком поздно? Следите за этим пространством!

Краткая история солнечных батарей

• 1839: Французский физик Александр-Эдмон Беккерель (отец первооткрывателя радиоактивности Анри Беккереля) обнаружил, что некоторые металлы являются фотоэлектрическими: они производят электричество при воздействии света.
• 1873: Английский инженер Уиллоуби Смит обнаруживает, что селен является особенно эффективным фотопроводником (позже он был использован Честером Карлсоном в его изобретении фотокопировального аппарата).
• 1905: Физик немецкого происхождения Альберт Эйнштейн выясняет физику фотоэлектрического эффекта, открытие, которое в конечном итоге принесло ему Нобелевскую премию.
• 1916: Американский физик Роберт Милликен экспериментально доказывает теорию Эйнштейна.
• 1940: Рассел Ол из Bell Labs случайно обнаруживает, что полупроводник с легированным переходом будет производить электрический ток при воздействии света.
• 1954: Исследователи Bell Labs Daryl Chapin , Calvin Fuller и Gerald Pearson создают первый практический фотоэлектрический кремниевый солнечный элемент с эффективностью около 6 процентов (более поздняя версия обеспечивает 11 процентов).Они объявляют о своем изобретении, первоначально названном «солнечной батареей», 25 апреля.
• 1958: Космические спутники Vanguard, Explorer и Sputnik начинают использовать солнечные батареи.
• 1962: 3600 солнечных батарей Bell используются для питания Telstar, новаторского телекоммуникационного спутника.
• 1997: Федеральное правительство США объявляет об инициативе «Миллион солнечных крыш» — к 2010 году планируется построить миллион крыш с солнечными батареями.
• 2002: НАСА запускает свой солнечный самолет Pathfinder Plus.
• 2009: Ученые обнаруживают, что кристаллы перовскита имеют большой потенциал в качестве фотогальванических материалов третьего поколения.
• 2014: Сотрудничество между немецкими и французскими учеными установило новый рекорд — 46-процентную эффективность четырехпереходного солнечного элемента.
• 2020: Солнечные батареи, по прогнозам, достигнут сетевого паритета (солнечная электроэнергия, которую вы производите сами, будет такой же дешевой, как электроэнергия, которую вы покупаете у сети).
• 2020: Перовскито-кремниевые элементы обещают значительное повышение солнечной эффективности.