Описание устройства, разновидности

Используются два метода - термоэлектрическое и фотоэлектрическое преобразование. В этой статье остановимся на фотоэлектрическом преобразовании.

При достигнутом КПД для получения большой выработки электроэнергии требуются большие площади под солнечные батареи. Однако сравнение площади, занимаемой водохранилищами гидроэлектростанций, и площади, необходимой для световых электростанций с той же годовой выработкой электроэнергии, показывает, что площадь солнечных батарей в южных районах будет в 80 раз меньше, чем площадь водохранилища Волжской ГЭС. Необходимо, правда, при этом заметить, что водохранилище более экологично, чем солнечные батареи.

Наибольшим недостатком солнечных батарей, препятствующим их широкому внедрению, является не низкий КПД, а высокая себестоимость.

Рассматриваются проекты и по крупномасштабному производству электроэнергии в космосе с последующей ее передачей на Землю. Необходимо заметить, что фотоэлементы в космосе будут работать значительно эффективнее, чем на Земле, так как излучение Солнца там не поглощается атмосферой и облаками (поток солнечной радиации выше в 1,5 раза, чем на поверхности Земли).

Самая крупная в мире гелиоустановка расположена в пустыне Мохаве (США). Здесь установлены 9 крупнейших в мире солнечных батарей и вырабатывается 92% мирового производства солнечной энергии. Мощность - 345 МВт.

Источник: yznaika.com

Фотоэлектрические преобразователи или солнечные батареи представляют собой пластину со свойствами полупроводника, вырабатывающую постоянный ток при попадании на нее световых лучей. Основой может быть кремний (наиболее распространенный вид) и его соединения с медью, галлием, кадмием, индием, амфорные, органические или химические фотоэлементы, полимерная пленка.

Каждый материал имеет свой коэффициент ФЭП солнечных лучей (от 5 до 30 %) и, как следствие — вырабатывает определенную мощность при равной интенсивности светового потока. Многое зависит от площади батареи, одиночный кристалл полупроводника производит незначительное количество энергии, в среднем для получения 0,15 кВт потребуется 1 м² панели. Исключение составляют инновационные многослойные полимерные соединения (монокристаллы), их КПД достигает 30 %, но эта технология еще недоступна рядовому потребителю.

Помимо пластины, в схему солнечной батареи входят вспомогательные приборы (для передачи, распределения и аккумулирования энергии):

§ Инвертор или преобразователь постоянного тока.

§ Накопитель для бесперебойной работы системы в ночное время или в пасмурную погоду.

§ Стабилизатор напряжения.

§ Контроллер для отслеживания заряда.

В зависимости от площади используются миниатюрные маломощные батареи (до 10 Вт) либо большие стационарные панели. Первые относятся к переносным (популярны для зарядки ноутбука, калькулятора, мобильных устройств). Вторые чаще служат для энергоснабжения и отопления дома, размещаются обычно на крыше. Так как мощность батарей полностью пропорциональна солнечной интенсивности, стало целесообразным размещать отслеживающие панели (изменяющие угол расположения, в зависимости от движения Солнца). Толщина вариантов из полупроводника незначительна (от 10 мкм до 10 см), но с учетом вспомогательных приборов модули весят больше, что учитывается при просчете нагрузки на стропила и поверхность крыши.

Принцип фотоэлектрического преобразования

При попадании света на пластину из двух слоев полупроводников разной проводимости возникает эффект p-n перехода, электроны из катода покидают свои атомы и захватываются на уровне анода. При подключении в схему нагрузки (аккумулятора) они отдают свою положительно заряженную энергию и возвращаются в n-слой. Это явление более известно как «внешний фотоэффект», а двухслойная пластина как «фотоэлемент». Чаще всего применяется один и тот же материал: базовый полупроводник с определенным типом проводимости покрывается слоем с противоположным зарядом, но с высокой концентрацией легирующих примесей.

Этот принцип работы солнечных батарей неизменен с момента открытия эффекта; именно на границе зон осуществляется электронно-дырочный переход. При воздействии солнечных лучей в обоих направлениях проходит движение разнозаряженных частиц, при замыкании контура ФЭП они осуществляют работу на нагрузку. Для полноценной передачи (сбора и отвода электронов) используется контактная система (внешняя сторона батареи напоминает сетку или гребенку, а тыльная обычно сплошная). Чем выше площадь p-n перехода и коэффициент фотоэлектрического преобразования полупроводника, тем большую мощность производит устройство. Физическое явление и принцип работы не зависят от температуры воздуха, важна лишь интенсивность солнечного света. Как следствие, на величину КПД панели оказывают влияние погодные условия, климат, сезон, географическая широта.

Способы повысить эффективность батареи

Даже в средней полосе России установка солнечных аккумуляторов окупается за 3–5 лет, ведь лучи абсолютно бесплатны и доступны круглый год. Но для полноценного отопления дома в 100 м2 полезной площади потребуется около 30 м2 панелей. Для усиления принципа фотоэффекта рекомендуется провести следующие работы:

1. Разместить батареи на южной стороне под углом не менее 30°.

2. Не монтировать солнечные панели под тенью высоких деревьев.

3. Раз в 2 года очищать поверхность от грязи.

4. Установить отслеживающие солнечный свет системы.

Полностью отказываться от внешнего энергоснабжения не стоит, даже современные комплексы не способны аккумулировать достаточное количество энергии для полноценного обеспечения здания при длительной непогоде. Лучше всего использовать их как часть комбинированной системы.

Чтобыпроизводительность фотоэлектрической панелибыла максимальной очень важна ее ориентация иугол наклона. Чтобы поглощать максимальное количество солнечной энергии плоскость панели должна быть всегда перпендикулярна солнечным лучам. Однако солнце светит на Земную поверхность в зависимости от времени суток и года всегда под различным углом.

Поэтому для монтажа солнечных батарей необходимо знать оптимальную ориентацию в пространстве фотоэлектрической панели.

Солнечные фотоэлектрические панели, ориентированные в южном направлении и смонтированные под углом от 30° до 65° относительно горизонта, позволяют достичь максимального значения поглощения солнечного излучения. Но даже при определенных отклонениях от этих условий гелиосистема может вырабатывать достаточное количество энергии.

Установка с небольшим углом наклона более эффективна в случае, если солнечные коллекторы или солнечные батареи нельзя ориентировать на юг.

Наклон к горизонту (β) образуется между горизонтальной плоскостью и солнечной панелью. К примеру, при монтаже на наклонной крыше угол наклона преобразователя энергии определяется крутизной ската крыши.

Солнечные тепловые электростанции (СТЭС). Солнечная энергия используется как заменитель органического топлива при получении теплоты в парогенераторе. Устанавливаются вогнутые зеркала-концентраторы, которые для повышения эффективности с помощью систем автоматики следят (поворачиваются) за Солнцем. В этом случае их называют гелиостаты. Гелиостаты фокусируют излучение Солнца на нагревательных поверхностях котельной установки, расположенной в центре поля гелиостатов на башне высотой 50 - 200 м. Получаемый в котле пар подаетсяна турбину, которая в свою очередь вращает электрогенератор.
Источник: http://yznaika.com/notes/445-sun-energy