Солнечные батареи: принципы работы и схема подключения

Пример реализации системыГлавная особенность умного дома — обеспечение комфорта и безопасности приживающих при эффективном использовании ресурсов.

Такая задача решается установкой собственных источников энергоснабжения и автоматизированных систем, обеспечивающих бесперебойное поступление энергоресурсов за счет своевременного переключения подачи с различных источников.

Солнечные батареи (гелиосистемы) — один из вариантов автономного электроснабжения. Если вас заинтересовала данная информация, читайте дополнительно о том, как сделать солнечные батареи дома своими руками? Ознакомьтесь также с нашим материалом о солнечных электростанциях для вашего дома.

Исторический экскурс

Хотя первые устройства, вырабатывающие электрический ток под воздействием солнца, были сконструированы еще в XIX веке, фактически история создания солнечной батареи начинается с 1954 года. 25.04.1954 в США были получены первые фотоэлектрические элементы на основе кремния.

Их принцип работы позволил повысить КПД c 1% до 6%. Новые разработки в гелиоэнергетике велись постоянно, и в 1970 году КПД составлял уже 10%. Однако, из-за высокой стоимости производства, такие источники энергии по-прежнему использовались лишь в открытом космосе.

В конце 80-х — начале 90-х прошлого века, когда КПД фотоэлектрических элементов вырос до 20%, началось использования гелиоэнергии на Земле. В 2013 году были созданы элементы на индиево-галлий-арсенидной основе, КПД которых составляет 44,4% (компания Sharp). В том же году группа специалистов создала батареи с использованием линз Френеля. Их КПД составлял 44,7%.

Элементы солнечных батарей

Принцип работы фотоэлектрических панелей заключается в выработке постоянного тока. Так как все приборы работают от переменного тока, то для полноценной работы гелиосистем нужны несколько элементов:

  • фотоэлектические панели (модули),
  • аккумуляторы,
  • контроллер аккумулятора,
  • инвертор 12/24−220V.

Схема устройства

Контроллер следит за зарядкой и разрядкой аккумулятора. Ивертор (преобразователь тока) — преобразует постоянный ток в переменный. Аккумуляторы нужны для хранения выработанной энергии. В батарее могут использоваться два типа аккумуляторов: свинцовые или гелевые.

Принцип работы фотопреобразователей

Модули состоят из отдельных элементов — фотоэлектропреобразователей (ФЭП). ФЕП — это кремниевые полупроводники, могут быть трех типов:

  • из монокристаллического кремния,
  • из поликристаллического кремния,
  • из ленточного кремния (гибкого).

Визуализация p-n перехода

Принцип работы ФЭП построен на разнице потенциалов, так как полупроводник имеет два слоя (на атомном уровне) — n-типа и p-типа.

Между ними образуется слабое электрическое поле p-n переход.

Под воздействием фотонов света, выбиваются электроны в зоне n-типа и образуются дырки в зоне p-типа.

Если к кремниевой пластине подсоединить внешний проводник, то нему электроны из n-зоны перетекают в p-зону. При этом в проводнике появляется напряжение, то есть энергия фотонов света преобразуется в электрическую.

Из чего состоит модуль гелиоустановки?

В продаже есть готовые панели мощностью 40−260 пиковых ватт. Пиковые ватты показывают максимально возможную мощность при ярком солнце и правильной установке (угол наклона, соединение). Их размер колеблется от 0,4 до 2,5 квадратных метров.

При желании такой модуль можно собрать самостоятельно, но следует учесть, что нужно обеспечить высокую степень герметизации. В заводских условиях это достигается помещением модуля в вакуумную печь, где и производится ламинирование.

По своей конструкции модуль — это отдельные ФЭП элементы, соединенные между собой металлическими шинами. После соединения, получившуюся панель, шунтируют диодами. Это делается для предотвращения выхода из строя тех частей, которые могут оказаться затененными.

При отсутствии диодов энергия из освещенных ячеек перетекает в неосвещенные, из-за чего последние перегреваются. Если шунтирование произведено, то в момент затемнения панель дает меньшую мощность (на 25%), а все ячейки остаются работоспособными.

Структура элемента

Далее панель ламинируют и помещают между многослойными стеклами, после чего заключают в пластиковый или алюминиевый каркас. К нижней стороне модуля подключают клеммную коробку, где находятся контакты для подключения к электрической цепи.

Как производить подключения?

Варианты монтажа солнечных панелей могут быть различны:

  • Горизонтальный, при установке на плоскую крышу.
  • Наклонный, при установке крышу с углом ската выше 15.
  • Свободностоящий, при установке панелей на опорные конструкции.
  • Интегрированный, при установке панелей, как элементов здания.

При выборе варианта следует учитывать, поверхность фотоэлементов должна быть ориентирована на юг, а оптимальный угол падения лучей на панель — 90º.

В идеале панели устанавливаются на поворотные конструкции. На практике угол наклона меняется два раза в год — в зимний период выставляется 60º-70º относительно линии горизонта, а в летний — 15º-20º.

Независимо от установки, принципиальная схема подключения в энергосистему дома не отличается. Ниже приведена схема подключения с использованием сетевого и аккумуляторного контроллера.

Это позволяет использовать энергию от гелиоустановки даже при наличии напряжения в центральной сети, что увеличивает эффективность использования ресурсов.

Схема рабочеuj устройства системы

Какие альтернативы существуют и что лучше использовать?

Кроме гелиосистем, в качестве автономных источников энергии могут использоваться следующие виды:

  • дизель-генератор,
  • ветрогенератор,
  • тепловой насос.

Дизель-генератор

Дизель-генератор традиционно используется, как автономный или резервный источник питания.

Однако такие устройства имеют ряд недостатков — высокий уровень шума, пожароопасность, а также выделение в процессе работы большого объема выхлопных газов. Главное достоинство — стабильная работа, независимо от погодных условий.

Дизель-генераторы нельзя назвать независимыми источниками энергии, так как принцип их работы не выработка энергии, а преобразование с использованием невозобновляемых ресурсов.

Достоинства ветрогенератора — экологичность и полная автономность.

Недостаток — зависимость от погоды. Это очень ощутимый минус, так как при полном штиле можно надолго остаться без электричества. Тепловые насосы бывают различных конфигураций, они независимы от сезонности и внешних условий.

К условным недостаткам этого источника энергии можно отнести тот факт, что он вырабатывает только тепловую энергию. То есть его можно использовать для отопления или кондиционирования дома, а также для подогрева воды.

Учитывая недостатки и достоинства вышеперечисленных систем, можно сделать вывод, что умный дом должен иметь комбинированную систему. Например, солнечные батареи могут дополняться тепловым насосом. Такой вариант позволяет обеспечивать дом и тепловой, и электрической энергией.

Читайте подробно о применении ветряных электростанций для частного дома. Мы рекомендуем ознакомится с информацией о применении фонарей работающих на солнечных батареях для дачи.
В продолжение советуем почитать нашу публикацию о стоимости полного комплекта солнечных батарей для частного дома.

https://youtu.be/aAH0LAiiHAA

Добавить отзыв

Нажмите, чтобы оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.