Фотоэлектрические солнечные батареи – Альянс-Нева

21.06.2017

Фотоэлектрическая солнечная батарея – установка для прямого преобразования энергии Солнца в электрическую энергию при помощи электролитического фотоэлемента. Это явление известно с 1832 г. благодаря Э. Беккерелю. Впервые в коммерческих целях технология была использована в 1952 г., когда в лаборатории “Белл” для электропитания телефонной станции был произведен фотоэлектрический элемент на основе монокристалла кремния. Солнечная батарея состоит из нескольких фотоэлектрических модулей, электрически и механически соединенных друг с другом. Фотоэлектрический модуль объединяет в себе электрически соединенные между собой фотоэлектрические солнечные элементы и имеет выходные клеммы для подключения внешнего потребителя.

До своего появления солнечная фотоэлектрическая установка проходит 6 основных технологических этапов:

1. Изготовление слитка чистейшего солнечного кремния
2. Путем механической обработки изготавливают кремниевый блок
3. Блоки нарезают на кремниевые пластины
4. Из пластин путем нанесения токопроводящих контактов получают фотоэлектрические элементы
5. Фотоэлементы объединяют в фотоэлектрические модули (солнечные батареи)
6. На основе фотоэлектрических модулей строят солнечные электростанции (фотоэлектрические установки)

Солнечные модули могут генерировать электричество в течение 20 и более лет с незначительной потерей производительности. Старение происходит в основном от воздействия окружающей среды, потому что никаких термодинамических процессов в установке не происходит, в ней нет движущихся элементов. Хорошо смонтированная солнечная батарея будет надежным, тихим и чистым источником энергии в течение многих лет.

Принцип действия солнечной фотоэлектрической батареи

Фотоэлектрическая солнечная батарея состоит из нескольких фотоэлектрических солнечных модулей, электрически и механически соединенных друг с другом. Фотоэлектрический солнечный модуль – устройство, конструктивно объединяющее электрически соединенные между собой фотоэлектрические солнечные элементы и имеющее выходные клеммы для подключения внешнего потребителя.

Фотоэлектрический элемент состоит из двух тонких слоев полупроводникового материала: один с незначительной примесью, которая придает ему свойства проводника отрицательных зарядов (область n), второй также с примесью, но она превращает его в проводник положительных зарядов (область p).

Когда на солнечный элемент падает солнечных свет, материал солнечного элемента поглощает часть солечного света (фотоны). Каждый фотон имеет малое количество энергии. Когда фотон поглощается, он инициирует процесс освобождения электрона в солнечном элементе. Вследствие того, что обе стороны фотоэлектрического элемента имеют токоотводы, в цепи возникает ток когда фотон поглощается. Солнечный элемент генерирует электричество, которое может быть использовано сразу или сохранено в аккумуляторной батарее.

Основным материалом, используемым для изготовления фотоэлектрических элементов, является кремний. Кремний с примесью фосфора относится к типу n, с примесью бора – к типу p.

Варианты подключения солнечных батарей

Монтаж солнечных батарей

Фотоэлектрические комплекты для дачи и освещения с солнечными батареями

Фотоэлектрические комплекты

Поделиться ссылкой на статью

Обновлено 23 сентября, 2021

Опубликовано автором

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:

Фотоэлектрический комплект для нагрузки постоянного тока 12ВФотоэлектрический комплект на 24В, нагрузка постоянного тока

• фотоэлектрическая батарея
• контроллер заряда аккумуляторной батареи
• аккумуляторная батарея
• провода, коннекторы, предохранители, автоматы защиты
• если необходимо питать нагрузку 220В переменного тока — еще инвертор

Мощность солнечной батареи выбирается в зависимости от вашего потребления энергии. Емкость аккумуляторов подбирается, в общем случае, под солнечную батарею. Контроллер заряда нужно также подбирать под солнечную батарею, а также, если в контроллере есть контроль разряда, то нужно, чтобы ток нагрузки не превышал допустимый ток контроля нагрузки контроллера. Ниже приведены простые советы, как правильно подобрать фотоэлектрический комплект для ваших нужд.

1. 1. Подсчитайте ваше необходимое потребление в кВт*ч в сутки. Можете воспользоваться online формой расчета для подсчета вашего потребления.
   2. В той же форме можно рассчитать и необходимую мощность модуля. Для грубой оценки можете использовать следующий метод. Учитывая, что 100Вт солнечный модуль вырабатывает около 0,5 кВт*ч летом, и около 0,3 кВт*ч весной-осенью (зимой выработка в 7-8 раз меньше летней), подбираете солнечную батарею необходимой мощности путем деления количества потребляемой энергии в сутки на выработку 100 Вт модуля, а затем умножения результата на 0,1 кВт. Добавьте к рассчитанному значению примерно 30% для компенсации потерь на заряд-разряд аккумулятора и прочие потери. Т.е., если вам нужно получить 300 Вт*ч/сутки, то вам нужен модуль мощностью около
      0,3/0,5*0,1*1,3*1000 = 78 Вт для работы летом, и около 100Вт для работы с весны по осень.
   3. «Правило большого пальца» для выбора емкости АБ — емкость 12В аккумулятора должна быть в 1,2-2 раза больше мощности 12В солнечного модуля. Меньший коэффициент применяется, если у вас основное потребление энергии днем и если приход солнечной радиации составляет 3-4 пиковых часа, большее значение — если основное потребление в темное время суток, и хороший приход солнечной радиации — 5-6 пиковых часов. Например, если вы планируете использовать систему в средней полосе России в период с весны по осень, то лучше применять коэффициент 1,2-1,5. Таким образом, для 100Вт солнечной батареи потребуется аккумулятор 120-150 А*ч. В автономной солнечной системе лучше применять гелевые аккумуляторы
   4. Подберите контроллер по току модуля. Максимальный ток заряда модуля должен быть процентов на 15-20 меньше максимального тока контроллера. Например, для модуля 100 Вт, который имеет ток в точке максимальной мощности (ТММ) 100Вт/17В= 5,88А и ток короткого замыкания около 6,5А необходим контроллер на ток 10А.
      Есть особенности при подборе контроллера MPPT — т. к. контроллер преобразует токи и напряжения, то проще подбирать контроллер по мощности, а не по току. Например, у вас есть модули мощностью 1000 Вт, и аккумуляторная батарея емкостью 400 А*ч напряжением 48В. Если контроллер может понижать напряжение (и увеличивать ток), то для уменьшения потерь в проводах и улучшения работы в пасмурную погоду модули лучше скоммутировать на напряжение 72 или 96В. Если у вас есть 6 модулей по 180Вт, и они соединены в 2 цепочки по 3 модуля, то максимальный ток он них будет около 180Вт/34В*2*1,15=12А. Однако, после преобразования, на выходе контроллера мы получим зарядный ток аккумуляторов 180*6/44=24,5А. Поэтому
      MPPT контроллер нужно выбирать на ток не менее 25А. Если у вас напряжение АБ 24В, то нужно удвоить необходимую мощность контроллера до 50А.
   5. Если у вас есть нагрузка переменного тока 220В, то вам необходим инвертор.
      Его мощность выбирается по максимальной мощности нагрузки с учетом пиков потребления (стартовый ток холодильника, насосов и т.п, например, превышает номинальный в 3-7 раз. Форма выходного напряжения инвертора также зависит от требований вашей нагрузки (см. ссылку) .
   6. Провод от солнечной батареи до контроллера должен быть специальный. Так как провод находится на солнце и подвержен воздействию окружающей среды, то нужен провод в двойной изоляции, стойкой к действию ультрафиолетового излучения. Длина его должна быть как можно меньше. В зависимости от длины и тока выбирается сечениие, причем расчет идет не по допустимому максимальному току, а по допустимому падению напряжения. Можете использовать рекомендации по расчету для подбора сечения. Падение напряжения при максимальном токе не должно превышать 1,5-2В (для 12В систем), иначе модуль не сможет эффективно заряжать аккумуляторы. Чем выше напряжение в системе, тем меньшее сечение провода необходимо.
      
      Для внутренней проводки можно применять любой провод, для этого предназначенный, например, ПВ-3 или аналогичный. Сечение также выбирается исходя из токов и длины провода, падение напряжение в самой дальней точке при максимальном токе не должно превышать 5%, максимум 10%.
   7. Между АБ и остальной схемой необходимо обязательно ставить защитный автомат или предохранитель. Его параметры выбираются по максимальному току нагрузки, с учетом пиковых ее значений.
   8. Не забудьте заземлить систему — это может спасти ваше оборудование в грозу, а также повысит безопасность использования фотоэлектрической системы. Для заземления можно использовать провод сечением 6-10 мм².

Мы предлагаем Вам ряд правильно подобранных комплектов на базе фотоэлектрических модулей — от простейшей системы для питания одного люминесцентного светильника до системы электроснабжения базовой нагрузки жилого дома.

Типичные комплекты для дома или дачи вы можете выбрать в соответствующем разделе нашего Интернет-магазина. Если типичный комплект по какой-либо причине вам не подходит — мы поможем вам правильно подобрать оборудование в зависимости от ваших потребностей.

Вы также можете скачать нашу рекламную листовку по фотоэлектрическим комплектам — там тоже приведены некоторые типичные фотоэлектрические комплекты.

Эта статья прочитана 9407 раз(а)!

Продолжить чтение

• Типы солнечных электростанций

  82

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

• Автономная солнечная электростанция – 4 главных элемента

  77

  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…

• Нужны ли солнечные батареи?

  71

  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.…

• Солнечные батареи зимой

  69

  Эффективность работы солнечных батарей и коллекторов зимой 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…

• Расчет солнечной электростанции

  67

  Расчет фотоэлектрической системы электроснабжения Ниже приведен простой пошаговый метод расчета солнечной электростанции (СЭС). Этот метод поможет Вам определить требования к системе и выбрать необходимые Вам компоненты системы электроснабжения. Расчет фотоэлектрической системы состоит из 4-х основных этапов: Определение нагрузки и потребляемой…

• Окупаемость солнечных батарей

  66

  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…

Опубликовано в рубрике ФотоэлектричествоОтмечено основы фотоэлектричества, солнечная энергетика, комплект, солнечные батареи, фотоэлектрические системы

Реклама

Основы солнечной фотоэлектрической технологии | Министерство энергетики

Перейти к основному содержанию

URL видео

Фотогальванические (PV) материалы и устройства преобразуют солнечный свет в электрическую энергию.

Министерство энергетики

Что такое фотогальваническая (PV) технология и как она работает? Фотоэлектрические материалы и устройства преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Одно фотоэлектрическое устройство известно как ячейка. Индивидуальная фотоэлектрическая ячейка обычно имеет небольшой размер и обычно производит около 1 или 2 Вт мощности. Эти ячейки сделаны из различных полупроводниковых материалов и зачастую имеют толщину менее четырех человеческих волос. Чтобы выдерживать воздействие на открытом воздухе в течение многих лет, ячейки помещаются между защитными материалами из комбинации стекла и/или пластика.

Чтобы увеличить выходную мощность фотоэлементов, они соединяются вместе в цепи, образуя более крупные блоки, известные как модули или панели. Модули можно использовать по отдельности или несколько можно соединить в массивы. Затем один или несколько массивов подключаются к электрической сети как часть полной фотоэлектрической системы. Благодаря этой модульной структуре фотоэлектрические системы могут быть построены для удовлетворения практически любых потребностей в электроэнергии, малых или больших.

Фотоэлектрические модули и массивы являются лишь частью фотоэлектрической системы. Системы также включают монтажные конструкции, которые направляют панели к солнцу, а также компоненты, которые принимают электричество постоянного тока (DC), вырабатываемое модулями, и преобразуют его в электричество переменного тока (AC), используемое для питания всех приборов в вашем доме. дом.

Крупнейшие фотоэлектрические системы в стране расположены в Калифорнии и производят электроэнергию для коммунальных предприятий, чтобы распределять ее между своими клиентами. Электростанция Solar Star PV производит 579 мегаватт электроэнергии, а солнечная ферма Topaz и солнечная ферма Desert Sunlight производят по 550 мегаватт каждая.

Узнать больше о:

Основы солнечных фотоэлектрических элементов Узнать больше

PV Cells 101: Учебник по солнечной фотоэлектрической ячейке Узнать больше

Солнечная производительность и эффективность Узнать больше

PV Cells 101, Часть 2: Направления исследований солнечных фотоэлектрических элементов Узнать больше

Основы проектирования солнечной фотоэлектрической системы Узнать больше

Основы производства солнечных фотоэлектрических систем Узнать больше

Получение максимальной отдачи от солнечных панелей Узнайте больше

 

Узнайте больше об исследованиях в области фотоэлектрических систем в офисе технологий солнечной энергии, ознакомьтесь с этими информационными ресурсами солнечной энергии и узнайте больше о том, как работает солнечная энергия.

Основы солнечных фотоэлектрических элементов | Министерство энергетики

Офис технологий солнечной энергии

Когда свет падает на фотогальванический (PV) элемент, также называемый солнечным элементом, этот свет может отражаться, поглощаться или проходить прямо через элемент. Фотоэлемент состоит из полупроводникового материала; «полу» означает, что он может проводить электричество лучше, чем изолятор, но не так хорошо, как металл. В фотоэлементах используется несколько различных полупроводниковых материалов.

Когда полупроводник подвергается воздействию света, он поглощает энергию света и передает ее отрицательно заряженным частицам в материале, называемому электронами. Эта дополнительная энергия позволяет электронам течь через материал в виде электрического тока. Этот ток извлекается через проводящие металлические контакты — сеткообразные линии на солнечных элементах — и затем может использоваться для питания вашего дома и остальной части электросети.

Эффективность фотоэлемента — это просто количество электроэнергии, выходящей из элемента, по сравнению с энергией падающего на него света, что показывает, насколько эффективно элемент преобразует энергию из одной формы в другую. Количество электроэнергии, вырабатываемой фотоэлементами, зависит от характеристик (таких как интенсивность и длина волны) доступного света и множества рабочих характеристик элемента.

Важным свойством фотоэлектрических полупроводников является ширина запрещенной зоны, которая указывает, какие длины волн света материал может поглощать и преобразовывать в электрическую энергию. Если ширина запрещенной зоны полупроводника соответствует длинам волн света, падающего на фотоэлектрическую ячейку, то эта ячейка может эффективно использовать всю доступную энергию.

Узнайте больше о наиболее часто используемых полупроводниковых материалах для фотоэлементов.

Кремний

Кремний, безусловно, является наиболее распространенным полупроводниковым материалом, используемым в солнечных элементах, что составляет примерно 9Сегодня продано 5% модулей. Это также второй по распространенности материал на Земле (после кислорода) и самый распространенный полупроводник, используемый в компьютерных чипах. Элементы кристаллического кремния состоят из атомов кремния, соединенных друг с другом в кристаллическую решетку. Эта решетка обеспечивает организованную структуру, которая делает преобразование света в электричество более эффективным.

Солнечные элементы, изготовленные из кремния, в настоящее время обеспечивают сочетание высокой эффективности, низкой стоимости и длительного срока службы. Ожидается, что модули прослужат 25 и более лет, по истечении этого времени производя более 80% своей первоначальной мощности.

Тонкопленочные фотоэлектрические элементы

Тонкопленочные солнечные элементы изготавливаются путем нанесения одного или нескольких тонких слоев фотоэлектрического материала на поддерживающий материал, такой как стекло, пластик или металл. Сегодня на рынке представлены два основных типа тонкопленочных фотоэлектрических полупроводников: теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди-индия-галлия (CIGS). Оба материала можно наносить непосредственно на переднюю или заднюю поверхность модуля.

CdTe является вторым наиболее распространенным фотоэлектрическим материалом после кремния, и элементы CdTe можно изготавливать с использованием недорогих производственных процессов. Хотя это делает их экономически эффективной альтернативой, их эффективность все еще не так высока, как у кремния. Ячейки CIGS обладают оптимальными свойствами для фотоэлектрического материала и высокой эффективностью в лаборатории, но сложность, связанная с объединением четырех элементов, делает переход от лаборатории к производству более сложным. И CdTe, и CIGS требуют большей защиты, чем кремний, чтобы обеспечить длительную работу на открытом воздухе.

Перовскитные фотоэлектрические элементы

Перовскитные солнечные элементы представляют собой тип тонкопленочных элементов и названы в честь их характерной кристаллической структуры. Ячейки перовскита состоят из слоев материалов, которые печатаются, покрываются или наносятся вакуумным способом на нижележащий поддерживающий слой, известный как подложка. Как правило, они просты в сборке и могут достигать эффективности, аналогичной кристаллическому кремнию. В лаборатории эффективность солнечных элементов на основе перовскита улучшилась быстрее, чем у любого другого фотоэлектрического материала, с 3% в 2009 году.до более чем 25% в 2020 году. Чтобы быть коммерчески жизнеспособными, перовскитные фотоэлементы должны стать достаточно стабильными, чтобы выдержать 20 лет на открытом воздухе, поэтому исследователи работают над тем, чтобы сделать их более долговечными и разработать крупномасштабные и недорогие технологии производства.

Органические фотоэлектрические элементы 

Органические фотоэлектрические элементы, или OPV, состоят из богатых углеродом (органических) соединений и могут быть адаптированы для улучшения определенных функций фотоэлектрических элементов, таких как ширина запрещенной зоны, прозрачность или цвет. Ячейки OPV в настоящее время примерно вдвое менее эффективны, чем ячейки из кристаллического кремния, и имеют более короткий срок службы, но могут быть менее дорогими в производстве в больших объемах. Их также можно наносить на различные вспомогательные материалы, такие как гибкий пластик, благодаря чему OPV можно использовать в самых разных целях. PV

Квантовые точки

Солнечные батареи с квантовыми точками проводят электричество через мельчайшие частицы различных полупроводниковых материалов размером всего в несколько нанометров, называемые квантовыми точками. Квантовые точки обеспечивают новый способ обработки полупроводниковых материалов, но между ними трудно создать электрическую связь, поэтому в настоящее время они не очень эффективны. Однако их легко превратить в солнечные батареи. Их можно наносить на подложку с помощью метода центрифугирования, распыления или рулонных принтеров, подобных тем, которые используются для печати газет.

Квантовые точки бывают разных размеров, а их ширина запрещенной зоны настраивается, что позволяет им собирать свет, который трудно улавливать, и сочетать их с другими полупроводниками, такими как перовскиты, для оптимизации производительности многопереходного солнечного элемента (подробнее об этом ниже).

Многопереходные фотоэлектрические элементы

Еще одна стратегия повышения эффективности фотоэлектрических элементов заключается в наслоении нескольких полупроводников для создания многопереходных солнечных элементов. Эти ячейки, по сути, представляют собой стопки различных полупроводниковых материалов, в отличие от ячеек с одним переходом, которые имеют только один полупроводник. Каждый слой имеет разную ширину запрещенной зоны, поэтому каждый из них поглощает разную часть солнечного спектра, что позволяет лучше использовать солнечный свет, чем ячейки с одним переходом. Многопереходные солнечные элементы могут достигать рекордных уровней эффективности, потому что свет, который не поглощается первым слоем полупроводника, улавливается слоем под ним.

В то время как все солнечные элементы с более чем одной запрещенной зоной являются многопереходными солнечными элементами, солнечный элемент с ровно двумя запрещенными зонами называется тандемным солнечным элементом. Многопереходные солнечные элементы, объединяющие полупроводники из столбцов III и V в периодической таблице, называются многопереходными солнечными элементами III-V.

Многопереходные солнечные элементы продемонстрировали КПД выше 45%, но они дороги и сложны в производстве, поэтому они предназначены для исследования космоса. Военные используют солнечные элементы III-V в беспилотниках, и исследователи изучают другие способы их применения, где ключевым фактором является высокая эффективность.

Концентрация Фотогальваника

Концентрация PV, также известная как CPV, фокусирует солнечный свет на солнечный элемент с помощью зеркала или линзы. Фокусируя солнечный свет на небольшой площади, требуется меньше фотоэлектрического материала. Фотоэлектрические материалы становятся более эффективными по мере того, как свет становится более концентрированным, поэтому самая высокая общая эффективность достигается с помощью ячеек и модулей CPV. Однако требуются более дорогие материалы, технологии производства и возможность отслеживать движение солнца, поэтому демонстрация необходимого преимущества по стоимости по сравнению с современными кремниевыми модулями большого объема стала сложной задачей.