Что такое солнечная батарея, и как она работает?

Общие понятия о принципе получения электричества от солнечной энергии

У людей, решивших собрать солнечную батарею, возникает немало вопросов, а для многих эта задача видится и вовсе не выполнимой из-за кажущейся сложности ее конструкции. Однако, на самом деле особых трудностей в ее сборке нет. И в этом можно убедиться, изучив схему и рассмотрев, как выполняет работу мастер, изготовивший не один подобный прибор.

Солнечная батарея представляет собой совокупность фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии в электрическую.

Солнечная батарея – это множество правильно соединенных между собой фотоэлементов. Каждый из них обладает невысокими генерирующими способностями, но в совокупности получаются весьма приличные показатели выработанной мощности.

Отдельные фотоэлементы соединены в единую панель и защищены с двух сторон материалами, стойкими к ультрафиолету, влаге и другим атмосферным явлениям. Это важно, так как батареи чаще всего эксплуатируются на открытом незащищенном пространстве — это может быть крыша здания, балконное ограждение или же поляна около дома.

Общая конструкция системы получения электрической энергии от солнечной представляет собой целый ряд приборов и устройств, соединенных в единую цепь:

Примерная схема системы выработки потребительской электрической энергии от солнечной

• Пластины-преобразователи — это полупроводниковые фотоэлементы, обладающие способностью генерировать постоянный ток под воздействием света. Пластины соединяются между собой по определенной схеме специальными шинами (плоскими проводниками), и собираются в батарею в общем корпусе.
• Панели-батареи, собранные из фотоэлементов, подключаются к прибору-контролеру с подобранными параметрами тока и напряжения, необходимыми для зарядки аккумулятора.
• Аккумулятор или целая батарея таких аккумуляторов накапливает заряд.
• Специальный инвертор преобразует постоянный ток в переменный с напряжением в 220 В (если этот необходимо).

Такая череда приборов используются в схеме в том случае, когда планируется отдельные постоянные точки потребления или даже полностью весь дом запитать от солнечной энергии. Накопленная в аккумуляторе за день энергия может быть использована в пасмурные дни или в темное время суток. Применяются и более простые схемы, когда солнечные батареи выступают лишь вспомогательным источником питания, и накопление энергии не требуется. Панель в таком случае может быть непосредственно подключена к прибору-потребителю. Однако, этот вариант менее надежен, так как стабильность питания будет полностью зависеть от наличия солнца в данный момент.

Использование солнечных батарей для полного снабжения дома энергией актуально в регионах, где количество солнечных дней в  течение года преобладает. Этим обычно «славятся» южные регионы страны. В других условиях они чаще всего применяются в качестве дополнительных источников электроснабжения.

Три основных разновидности фотоэлектрических модулей

Модули солнечных батарей, из которых собирается панель, подразделяются на три типа:

— монокристаллический;

— поликристаллический;

— аморфный (тонкопленочный).

От особенностей структурного строения пластин напрямую зависит эффективность конструкции, а также ее общая стоимость.

Монокристаллический и поликристаллический вариант солнечной батареи

Монокристаллические пластины изготавливаются из монокристаллов кремния, выращенных по методу Чохральского. Они отличаются высоким качеством и обладают неплохим (по меркам фотоэлементов) КПД, равным примерно 20÷22%. Из-за этого и стоимость их достаточно высока.

Солнечные лучи, попадая на монокристаллическую поверхность, способствуют возникновению направленного движения свободных электронов. Пластины с двух сторон подсоединены к шинам, которые затем подключаются к общей электрической цепи системы.

Высокий КПД этого типа пластин объясняется тем, что солнечные лучи равномерно рассеиваются по поверхности кристалла.

Поликристаллические фотоэлементы изготавливаются из полупроводника, имеющего поликристаллическую структуру. Именно этот тип батареи считается оптимальным для создания системы преобразования солнечной энергии. Стоимость элементов, а как следствие — и целых батарей получается ниже по сравнению с монокристаллическими приборами. Это обуславливается особенностями производства фотоэлементов, так как при их изготовлении применяются фрагменты, оставшиеся от монокристаллов.

Если сравнивать два этих типа изделий, то можно выделить следующие различия, выявленные тестированием независимых компаний:

• Поликристаллические пластины отличаются по внешнему виду от монокристаллов, так как имеют неоднородный по цвету окрас поверхностей, с перемежением темных и светлых участков.

Внешнее отличие пластин монокристаллов от поликристаллов заключается в однородности цвета.

• В процессе эксплуатации у всех фотоэлементов происходит постепенное снижение мощности. Так, после года работы у монокристаллов она снижается на 3%, а у поликристаллических элементов — на 2%.
• Суммарное количество электроэнергии, выработанное монокристаллическим модулем, примерно на 30% выше, чем у поликристаллических элементов, при их одинаковой площади.
• Стоимость поликристаллов на 10÷15 % ниже монокристаллических батарей.

Аморфные солнечные модули

Этот тип элементов представляет собой плотную гибкую пленку, значительно упрощающую процесс монтажа батарей.

На современном рынке представлены три поколения подобных фотоэлементов:

Гибкие пленочные фотоэлементы на основе аморфного кремния имеют ряд преимуществ и значительно удобнее в работе

• Элементы первого поколения являются однопереходными. Они имеют низкий КПД — всего 5% и относительно небольшой срок эксплуатации — не более 10 лет.
• Пленка второго поколения тоже однопереходного типа, но уровень КПД у нее повышен до 8%, увеличен и срок эксплуатации.
• Тонкопленочные батареи третьего поколения обладают КПД до 12%, и обладают длительным сроком службы, составляя конкуренцию кристаллическим вариантам.

Несмотря на не выдающиеся характеристики, самыми популярными остаются однопереходные тонкопленочные модули второго поколения. Они доступны по цене и обладают приличной мощностью, которая вполне может конкурировать с кристаллическими вариантами батарей.

Сравнение солнечных фотоэлементов

Если сравнивать кристаллические и пленочные батареи, то у последних существует ряд существенных преимуществ, благодаря которым часто предпочтение отдается именно им:

• Аморфные пленочные элементы лучше реагируют на изменение температуры, в частности, на ее повышение. В солнечные месяцы года этот тип батарей способен произвести большее количество энергии по сравнению с кристаллическими аналогами — те при нагреве способны потерять до 20% мощности.
• Пленочные батареи продолжают выработку энергии даже при рассеянном солнечном свете, в отличие от кристаллов, которые не генерируют энергию в пасмурную погоду. При слабом или рассеянном свете аморфная пленка способна вырабатывать до 20% энергии от своих номинальных показатели. Не слишком много, но лучше, чем ничего.
• Стоимость кристаллических панелей гораздо выше, чем пленочных. Причем цена на последние продолжает снижаться из-за активного наращивания объемов их производства.
• Пленочные солнечные батареи имеют меньшее количество дефектов и уязвимых мест. Дело в том, что жёсткие пластины при формировании панели спаиваются между собой, а пленка устанавливается в корпус конструкции в целом виде.

Если подвести итоги и вывести их в таблицу, то сравнительные характеристики пленочных аморфных и жестких кристаллических солнечных фотоэлементов будут выглядеть следующим образом:

Необходимо уточнить, что производятся и комбинированные варианты солнечных батарей, то есть состоящие из кристаллических и аморфных элементов. То есть используются по максимуму все преимущества обоих типов. Однако, стоимость подобных изделий весьма высока, поэтому они не настолько популярны, как упомянутые выше батареи.

Что влияет на эффективность солнечных батарей?

Чтобы не удивляться тому, что солнечные батареи работают с разной эффективностью в различные периоды, необходимо выделить факторы, которые влияют на КПД системы. Причем названные ниже моменты действуют на солнечные батареи всех типов, но с различной интенсивностью.

• При повышении температуры производительность любых фотоэлементов панелей снижается.
• При частичном затемнении, например, если солнце попадает только на часть панели, а какое-то количество элементов остается неосвещенным, выходное напряжение падает за счет потерь неосвещенных пластин.
• Панели, оснащенные линзами для концентрирования излучения, становятся совершенно неэффективными в облачную погоду, так как пропадает эффект фокусирования потока света.
• Для достижения высокой эффективности работы солнечной батареи необходим правильный подбор сопротивления нагрузки. Поэтому панели подключаются не напрямую к приборам или аккумулятору, а через управляющий системой контролер, который обеспечит оптимальный режим функционирования батареи.

Недостатки солнечных батарей

У солнечных батарей существует ряд недостатков, узнав о которых многие хозяева жилья сразу отказываются от затеи их приобретения и установки.

Действительно мощная, эффективная солнечная батарея потребует немалой полностью открытой для солнечных лучей площади.

• Для получения достаточного количества энергии необходимо установить весьма большое количество батарей довольно больших размеров. Понятно, что для их размещения потребуются большие площади. Многие собственники частных домов используют для их монтажа солнечную сторону крыши.

Суммарные показатели емкости блока аккумуляторов должны соответствовать мощности солнечных батарей, поэтому количество и тип АКБ необходимо подобрать правильно.

• Нельзя забывать, что батарея будет работать эффективно, только если ее лицевая сторона будет подвергаться периодической очистке от насевшей пыли, грязи, разводов высохшей дождевой воды. А это значит, что к поверхности необходимо обеспечить удобный и легкий доступ.
• Солнечные батареи недостаточно эффективно функционируют в сумерках и совершенно не работают в ночные часы. Чтобы использовать энергию от них в любое время суток необходимо подключение к нескольким аккумуляторам, которые за солнечный период накапливают энергию.
• Для большого количества аккумуляторов, если система планируется в качестве основного источника энергии, может потребоваться отдельное помещение.

«Накопителем» выработанной электрической энергии может быть целая батарея соединенных определенным образом аккумуляторов. Это потребует немало места. Да и стоимость аккумуляторов тоже может быть весьма значительной.

• Солнечная энергия считается экологически чистой, однако сами пластины фотоэлементов содержат в себе такие токсичные вещества, как кадмий, свинец, мышьяк, галлий и т.п. При нагревании конструкции данные вещества могут выделяться не только в окружающую среду, но и проникать в помещения дома, если батареи установлены на крыше или балконе дома. Оптимальным вариантом будет установить систему в отдалении от жилых строений.

Солнечные батареи на поворотном механизме, постоянно поддерживающим поверхность в фокусе солнечного света

• При установке батарей на открытой площадке, для более высокой эффективности их работы, систему часто снабжают специальным фотоэлементом, реагирующим на положение Солнца, и поворотным механизмом, который будет поворачивать их вслед за движением светила. Эффективность повышается, но зато возрастает сложность системы и стоимость реализации проекта.
• Пока что не приходится говорить о высокой эффективности работы подобных систем. Их КПД составляет в самом лучшем случае 20%, остальные 80% воспринятой поверхностью солнечной энергии уходят на нагрев самой батареи, средняя температура которой может достигать 55÷60 градусов. Как уже говорилось выше, при нагреве фотоэлементов, эффективность их работы падает.
• Чтобы предотвратить перегревание батарей, применяют те или иные системы принудительного охлаждения. Например, устанавливаются вентиляторы или насосы, перекачивающие хладагент. Понятно, что такие приборы также требуют электроэнергии, а также периодического обслуживания. Кроме того, они могут значительно снизить надежность работы всей конструкции. Ну а проблема эффективного пассивного охлаждения батарей пока не решается.

Как собрать солнечную батарею в домашних условиях?

Если после изучения представленной выше информации желание заняться изготовлением солнечной батареи не пропало, можно поэкспериментировать, создав и проверив собственное творение. Далее будет подробно рассмотрена сборка панели из монокристаллических пластин.

Монокристаллическая пластина 78×156 мм с двумя токосъемными дорожками на лицевой стороне. Симметрично им, на тыльной стороне пластины линии припаивания шин обозначены фигурными контактными окошками.

В показанном примере домашний мастер собирает панель габаритами 750×960 мм, состоящую из 36 жёстких монокристаллических пластин размером мм. Пластины устанавливаются в четыре ряда, по 9 фотоэлементов в каждом. Между фотоэлементами выдерживается зазор порядка 10÷12 миллиметров.

Солнечные батареи, установлены на балконном ограждении, а также закреплены к его остеклению. Такой монтаж будет актуален, если балкон находится на солнечной стороне дома. Красной рамкой выделена панель, монтаж которой будет показан.

Многие мастера, кроме стекла и пленки, используют еще и обрамление батареи, одевая ее в жесткую раму. Это придает конструкции необходимую прочность и повышает ее надежность.

Если планируется собрать и использовать несколько солнечных батарей, то их соединяют или последовательно — для увеличения напряжения на выходе, или параллельно – так можно добиться более высоких показателей тока и суммарной мощности

Комплекс панелей через контроллер подключается к аккумулятору — накопителю энергии, а уже от него идет распределение на точки потребления, напрямую или через инвертор.

Итак, как можно видеть из представленной информации, батарею вполне можно собрать своими руками. Потребуется наличие некоторых знаний электротехники и монтажа, усидчивость и внимательность.

Другое дело — что предварительно стоить очень тщательно взвесить ожидаемый эффект от батареи и стоимость комплектующих и всего необходимого для системы оборудования. Насколько система получится рентабельной, тем более с учетом местных климатических условий? Не превратится ли ее создание просто в «игрушку» для деятельного мужчины среднего возраста?

Возможно, некоторые вопросы по этому поводу снимет размещенный ниже видеосюжет:

Светодиоды – свет во все дома

Самодельная солнечная панель из светодиодов – явление не новое, вот только изготовить ее можно лишь в качестве эксперимента, ведь, как показывает практика, вырабатываемое ею напряжение слишком мало, чтобы от него был толк. Более подробно о батареях из светодиодов мы уже писали в одной из предыдущих статей «Мастерим солнечную батарею из диодов», поэтому сильно углубляться в эту тему не будем. Заметим только, что для подобной панели подойдут светодиоды любого размера и цвета, но в зависимости от цвета светодиодов будет зависеть их светопропускная способность.

Значение пикового напряжения 1 светодиода равняется в среднем 2,5 В. Для увеличения выходных параметров элементы соединяются последовательно/параллельно, но для того, чтобы получить хорошие показатели количество светодиодов должно быть неограниченно большое. Одно уточнение: подобная батарея очень чувствительна к углу наклона относительно солнца, даже небольшое отклонение от прямого попадания лучей может снизить напряжение на выходе.

Порядок изготовления солнечной батареи

Элементы на поли- или монокристаллическом кремнии необходимо объединить в единую панель. Для этого осуществляется пайка контактов к проводникам. Порядок пайки следующий:

• Оголенные проводники нарежьте одинаковыми отрезками под лекало, такой длины, чтобы она в два раза превышала размер элемента солнечной батареи.
  Рисунок 2: отмерьте проводники с помощью лекала
• Выложите модули на ровную поверхность (секло, лист фанеры, стол и т.д.).
• Очистите электрические контакты и полудите оловом, накладывать большое количество припоя сюда не нужно, достаточно слегка покрыть контакт.
  Рисунок 3: полудите контакты
• Припаяйте заранее полуженные проводники к контактам, обратите внимание, что сильно придавливать пластины нельзя, так как они очень хрупкие.
  Рисунок 4: припаяйте провод к элементу
• Замерьте ток от одного элемента с проводниками, это поможет подсчитать суммарную величину для всей батареи.

Если приобретенные вами элементы для солнечных батарей уже оснащены соединительными проводниками, этот этап можно пропустить и сразу переходить к изготовлению рамки.

Изготовление рамки

Рамка солнечной батареи представляет собой короб с невысокими бортами, который накрывается прозрачным стеклом. Для изготовления рамки:

• Возьмите прямоугольный лист фанеры или ДСП такого размера, чтобы на нем могло располагаться нужное количество элементов. Просверлите в нем небольшие отверстия на расстоянии 10 см друг от друга для вентиляции.
  Рис. 5: просверлите отверстия для вентиляции
• Приклейте по краю листа деревянные планки высотой не более 2 см, чтобы они не отбрасывали тень на солнечные приемники. Дополнительно прикрутите планки небольшими шурупами.
• Вырежьте крышку из стекла или прозрачного полимера. Ее размеры должны соответствовать нижнему листу или быть меньше, в зависимости от того, поддается она сверлению или нет. Если крышку можно прикрутит шурупом, то размер может быть идентичен, если стекло может лопнуть при попытке сверления, сделайте его меньше на 0,5 – 1 см.
  Рис. 6: заготовьте крышку из стекла
• Изготовьте из алюминиевого уголка прижимной каркас для верхней прозрачной крышки солнечной батареи, но пока ничего не прижимайте.

Рис. 7. соберите солнечную батарею

Постарайтесь подобрать материал для прозрачной крышки без бликов, иначе часть энергии солнца будет отражаться, что значительно снизит КПД. После того, как изготовите рамку, соберите солнечную батарею.

Изготовление модулей

Данный этап требует особой осторожности и внимания, поскольку на нем вы формируете электрическую цепь солнечной батареи. Если допустите прожоги или трещины, вы можете испортить не только какой-либо конкретный элемент, но и весь модуль, который в итоге придется переделывать.

• Разместите солнечные коллекторы лицевой стороной на прозрачной крышке. Оптимально между элементами должно быть 3 – 5 мм, если этого трудно добиться с первого раза, можете сделать разметку на стекле.
  Рис. 8: разместите элементы
• Аккуратно спаяйте выводы от каждого элемента «+» к «+», и «–» к «–». Плюсовые контакты должны располагаться на лицевой стороне, а минусовые на внутренней.
  Рис. 9: спаяйте выводы элементов

Все элементы соединяются последовательно сверху вниз, чтобы не раздавить нижние, когда будете паять. Вертикальные ряды припаяйте на общую шину.

• Приклейте фотоэлементы к прозрачной крышке, для этого нанесите в центр элемента немного герметика и аккуратно придавите его. Следите, чтобы он располагался строго по разметке, рабочей поверхностью к стеклу, иначе переклеить потом будет проблематично.
  Рис. 10: приклейте элементы к стеклу
• Просверлите в рамке отверстия для вывода плюсовой и минусовой шины солнечной батареи. В цепь батареи включите контроллер заряда, который предотвратит разряд заряда аккумулятора на солнечную батарею в темное время суток. Для этого подберите такие характеристики диодов, которые обеспечат полную блокировку цепи от обратного тока.
• Зафиксируйте выводы солнечной батареи в отверстиях при помощи герметика и поместите в рамку.
  Рисунок 11: зафиксируйте провода герметиком

После того, как вы собрали батарею, проверьте ее работоспособность. Вынесите ее под солнечные лучи и замерьте величину тока на выводах.

Рис. 12: вынесите на улицу и проверьте мультиметром

Сравните это значение с ранее замеренной величиной для одного элемента солнечной батареи. Чтобы проверить правильность, умножьте количество элементов на ток от одного, если прибор показал такое значение или близкое к нему, солнечная батарея собрана правильно и ее можно герметизировать.

Для герметизации используются компаунды или силиконовые герметики, которые подходят для температуры ниже нуля. Для этого солнечную батарею можно как заливать полностью, так и нанести герметик только между модулями.

Рис. 13: залейте герметиком

Второй вариант более экономный, но первый обеспечит вам куда большую надежность и лучшую герметизацию.  После герметизации сверху устанавливается умеренный пресс до полного застывания.

Рис. 14: установите умеренный пресс

До заливки вы можете установить демпфер из плотного поролона между фотоэлементами солнечной батареи и плитой из ДСП.  Ширина поролона выбирается менее высоты борта, в рассматриваемом случае высота – 2 см, соответственно можно взять поролон 1,5 см в толщину. Готовые и проверенные батареи установите согласно составленного проекта и подключите к электрической сети дома через аккумулятор и инвертор.

Какие инструменты понадобятся?

Чтобы произвести самостоятельно все работы по монтажу солнечной батареи на 220 вольт, понадобятся следующие инструменты:

• паяльники, электрифицированные на 40 Вт;
• герметики на базе силикона;
• скотч, приклеиваемый с двух сторон;
• канифоль;
• припой;
• провод, по которому будет уходить ток;
• флюс;
• шина из меди;
• крепежные элементы;
• дрель;
• прозрачный материал листовой;
• фанера, органическое стекло либо текстолит;
• диоды конструкции Шоттки.

Преимущества

Солнечные батареи имеют следующие преимущества:

• безвредность для экологии;
• долговечность;
• бесшумная работа;
• легкость изготовления и монтажа;
• независимость поставки электричества от распределительной сети;
• неподвижность частей устройства;
• незначительные финансовые затраты;
• небольшой вес;
• работа без механических преобразователей.