Солнечные батареи для дома: как выбрать лучшие панели

Принцип работы солнечной батареи

В результате перетечки зарядов на границе p- и n- слоев, в n-слое образуется зона нескомпенсированного положительного заряда, а в p-слое – отрицательного заряда, т.е. известный всем из школьного курса физики p-n-переход. Разность потенциалов, возникающая на переходе контактная разность потенциалов (потенциальный барьер) препятствует прохождению электронов с p-слоя, но беспрепятственно пропускает неосновные носители в направлении противоположном, что позволяет получить фото-ЭДС при попадании на ФЭП солнечного света.

При облучении солнечным светом, поглощенные фотоны начинают генерировать неравновесные электронно-дырочные пары. Генерируемые же вблизи перехода электроны, из p-слоя переходят в n-область.

Аналогичным образом попадают в p-слой избыточные дырки и слоя n (рисунок а). Получается, что в p-слое накапливается положительный заряд, а в n- слое – отрицательный, вызывая напряжение во внешней цепи (рисунок б). У источника тока есть два полюса: положительный — p-слой и отрицательный — n-слой.

Это основной принцип работы солнечный элементов. Электроны, таким образом, будто бегают по кругу, т.е. выходят из p-слоя и возвращаются в n-слой, проходя нагрузку (аккумулятор).

Фотоэлектрический отток в однопереходном элементе обеспечивают лишь те электроны, которые обладают энергией выше, чем ширина некой запрещенной зоны. Те же, которые обладают меньшей энергией, в этом процессе не участвуют. Это ограничение снять позволяют структуры многослойные, состоящие из более чем один СЭ, у которых ширина запрещенной зоны различная. Их называют каскадными, многопереходными или тандемными. Фотоэлектрическое преобразование у них выше за счет того, что работают такие СЭ с более широким солнечным спектром. В них фотоэлементы располагаются по мере уменьшения ширины запрещенной зоны. Солнечные лучи вначале попадают на фотоэлемент с самой широкой зоной, при этом происходит поглощение фотонов с наибольшей энергией.

Затем, фотоны, пропущенные верхним слоем, попадают на следующий элемент и т.д. В области каскадных элементов основным направлением исследования является использование в качестве одного компонента или нескольких арсенида галлия. У таких элементов эффективность преобразования составляет 35%. Элементы соединяют в батарею, поскольку изготовить отдельный элемент большого размера (следовательно, и мощности) не позволяют технические возможности.

Солнечные элементы способны работать длительное время. Они себя зарекомендовали как стабильный и надежный источник энергии, пройдя испытания в космосе, где главной опасностью для них является метеорная пыль и радиация, которые приводят к эрозии кремниевых элементов. Но, поскольку, на Земле эти факторы не оказывают на них столь негативного действия, можно предположить, что срок службы элементов будет еще более продолжительным.

Солнечные батареи уже находятся на службе человека, являясь источником питания для различных устройств, начиная от мобильных телефонов и заканчивая электромобилями.

И это уже вторая попытка человека обуздать безграничную солнечную энергию, заставив работать ее себе во благо. Первой попыткой было создание солнечных коллекторов, электричество в которых вырабатывалось за счет нагрева сконцентрированными лучами солнца воды до температуры кипения.

Термальная солнечная электростанция в Испании (город Севилья)

Преимущество солнечных батарей в том, что они непосредственно производят электричество, теряя энергии намного меньше, чем солнечные многоступенчатые коллекторы, в которых процесс ее получения связан с концентраций лучей Солнца, нагревом воды, выделением пара, вращающего паровую турбину и только после этого выработке генератором электричества. Основные параметры солнечных батарей – в первую очередь, мощность

Затем важно, каким запасом энергии они обладают

Зависит этот параметр от емкости аккумуляторов и их числа. Третьим параметром является пиковая мощность потребления, означающая количество одновременно возможных подключений приборов. Еще одним важным параметров является номинальное напряжение, от которого зависит выбор дополнительного оборудования: инвертора, солнечной панели, контроллера, аккумулятора.

Схема устройства солнечной электростанции

Рассмотрим, как устроена и работает гелиосистема для загородного дома. Главное ее назначение – преобразовать энергию солнца в электричество 220 В, которое является основным источником питания для домашних электроприборов.

Основные части, из которых состоит СЭС:

1. Батареи (панели), преобразующие солнечное излучение в ток постоянного напряжения.
2. Контроллер, регулирующий заряд АКБ.
3. Блок аккумуляторных батарей.
4. Инвертор, преобразующий напряжение АКБ в 220 В.

Конструкция батареи продумана таким образом, что позволяет оборудованию функционировать в различных погодных условиях, при температуре от -35ºС до +80ºС.

Выходит, что правильно установленные солнечные батареи будут работать с одинаковой производительностью и зимой, и летом, но при одном условии – в ясную погоду, когда солнце отдает максимальное количество тепла. В пасмурную эффективность работы резко снижается.

Эффективность СЭС в средних широтах велика, но не настолько, чтобы полностью обеспечивать электричеством большие дома. Чаще гелиосистема рассматривается как дополнительный или резервный источник электроэнергии

Вес одной батареи на 300 Вт равен 20 кг. Чаще всего панели монтируют на крышу, фасад или специальные стойки, установленные рядом с домом. Необходимые условия: разворот плоскости в сторону солнца и оптимальный наклон (в среднем 45° к поверхности земли), обеспечивающий перпендикулярное падение солнечных лучей.

При возможности устанавливают трекер, отслеживающий движение солнца и регулирующий положение панелей.

Верхняя плоскость батарей защищена закаленным противоударным стеклом, которое легко выдерживает удары града или тяжелые снежные наносы. Однако необходимо следить за целостностью покрытия, иначе поврежденные кремниевые пластины (фотоэлементы) перестанут работать

Контроллер выполняет насколько функций. Кроме основной – автоматической регулировки заряда АКБ, контроллер регулирует подачу энергии от солнечных батарей, предохраняя тем самым аккумулятор от полной разрядки.

При полном заряде контроллер автоматически отключает АКБ от системы. Современные устройства оборудованы панелью управления с дисплеем, показывающим напряжение батарей.

Для самодельных гелиосистем лучшим выбором являются гелевые аккумуляторы, отличающиеся сроком бесперебойного функционирования 10-12 лет. После 10-летней работы их емкость уменьшается примерно на 15-25 %. Это необслуживаемые и абсолютно безопасные устройства, не выделяющие вредных веществ.

Зимой или в пасмурную погоду панели также продолжают работать (если их регулярно очищать от снега), но выработка энергии снижается в 5-10 раз

Задача инвертеров – преобразовывать постоянное напряжение от АКБ в переменное напряжение 220 В. Они отличаются такими техническими характеристиками, как мощность и качество получаемого напряжения. Синусовое оборудование способно обслуживать наиболее «капризные» к качеству тока приборы – компрессоры, бытовую электронику.

Обзор бытовой СЭС:

Стоит знать, что бытовые электростанции способны обслуживать постоянно работающий холодильник, периодически запускаемый погружной насос, телевизор, систему освещения. Чтобы обеспечить энергией функционирование котла или даже микроволновки, потребуется более мощное и очень дорогое оборудование.

Простейшая схема солнечной электростанции, включающая главные составные элементы. Каждый из них выполняет свою функцию, без которой работа СЭС невозможна

Существуют и другие, более сложные схемы сборки солнечных электростанций, однако данное решение является универсальным и наиболее востребованным в быту.

Производство солнечных батарей

Солнечная батарея состоит, как известно, из нескольких обязательных частей. Основой основ у нее, подобно двигателю у машины или сердцу у человека, является солнечная панель – прозрачный прямоугольный короб с темными квадратиками тонко нарезанного кремния внутри. Кремний, используемый в производстве, а точнее его оксид (соединение с кислородом) – основной элемент производства солнечных батарей. 

Технологии, лежащие в основе производства солнечных батарей, все время совершенствуются и состоят из нескольких этапов.

• На первом этапе подготавливают сырье: очищают кварцевый песок, прокаливая его с коксом. В результате он освобождается от кислорода, превращаясь в куски чистого кремния, напоминающие чем-то уголь. Затем, из него выращивают кристаллы – основу солнечных панелей, упорядочив структуру кремния. Для этого чистый кремний опускают в тигель, нагревают до высокой температуры, добавляя в расплавленную лаву затравку. Можно сравнить ее с образцом будущего кристалла, вокруг которого, слой за слоем нарастает кремний упорядоченной структуры. После нескольких часов роста получается кристалл монокремния (или поликристаллический кремний, процесс получения которого более затратный, что сказывается на цене солнечных батарей из него), напоминающий большую сосульку. Затем заготовку  цилиндрическую превращают в параллелепипед. После этого заготовку режут на пластины толщиной 100-200 микрон (толщина трех человеческих волос), тестируют их, сортируют и направляют на следующую стадию обработки.
• На втором этапе пластина паяют в секции, их которых на стекле  формируют блоки, чтобы исключить возможность механического воздействия на  готовые солнечные элементы. Секции обычно состоят из 9-10 солнечных элементов, блоки – из 4-6 секций.
• Третий этап заключается в ламинировании спаянных в блоки пластин этиленвинилацетатной пленкой, а затем защитным покрытием, который осуществляется  с помощью компьютера, который следит за давлением, вакуумом и температурой.
• Четвертый этап заключительный. Во время него монтируется соединительная коробка и алюминиевая рама. Вновь проводят тестирование, во время которого измеряют показатели напряжение холостого хода, ток короткого замыкания, напряжение и ток точки максимальной емкости.

Использование солнечных батарей производства Suntech для освещения стадиона в Пекине

Гетероструктурные HJT солнечные элементы

Гетероструктурные HJT солнечные элементы в основе имеют обычные кристаллические элементы, покрытые дополнительными тонкопленочными слоями аморфного кремния на каждой стороне. Эти пленки формируют так называемые гетеропереходы, в дополнение к основному переходу в кристаллическом элементе. Известно, что разные типы переходов преобразуют разные участки спектра солнечного света  в электричество. За счет этого эффекта достигается повышение общего КПД преобразования солнечной энергии в гетероструктурном солнечном элементе. 

Сейчас HJT элементы на основе обычных солнечных элементов с токосъемными шинами имеют КПД 22-23%. Ожидается, что максимальный КПД может быть повышен до 26,5% за счет комбинации гетероструктуры с IBC технологией формирования токосъемных контактов (см. ниже). Конечно же, перечисленные выше технологии улучшения токосъема (half-cut, multibusbar, shingled) также позволяют повысить КПД гетероструктурных элементов. 

К преимуществам HJT технологии также относится малый температурный коэффициент. Они меньше нагреваются при работе и меньше теряют мощность при нагреве. Температурный коэффициент в лучших HJT элементах улучшен на 40% по сравнению с обычными поликристаллическими и монокристаллическими модулями. Для лучших HJT модулей температурный коэффициент мощности составляет 0.26%/°C (против 0.38% … 0.42% /°C для обычных модулей). Это приводит к тому, что в жаркий безветренный солнечный день HJT солнечные батареи могут вырабатывать дополнительно до 20% электроэнергии. 

Улучшенный температурный коэффициент позволяет получать больше энергии от HJT солнечной батареи

Примечание: температура солнечной панели и солнечных элементов также зависит от цвета крыши под ними, угла наклона и скорости ветра. Поэтому при монтаже модулей на темной крыше вплотную к поверхности без вентиляционного зазора для обдува ветром температура модулей может быть существенно выше, а общая выработка в жаркую погоду сильно снизиться. 

В России гетероструктурные элементы производит завод Хевел, они есть в нашем ассортименте.

Шаг 1: Расчет нагрузки

Прежде, чем выбрать компоненты, необходимо рассчитать нагрузку приборов, которые будут подключаться к вашей солнечной электростанции и сколько времени они будут работать. Для этого нужно сделать следующее:

1. Определите, какую технику (освещение, вентилятор, телевизор, насос и т.д.) вы будете подключать, и сколько времени (часов) она будет работать;
2. Ознакомьтесь со спецификациями ваших приборов для определения их мощности;
3. Рассчитайте величину потребляемого электричества в Ватт-часах (Вт*ч), которая равна произведению номинальной мощности ваших приборов (Вт) на время работы (ч).

Например Вы хотите включить какой-то прибор мощностью 10 ватт на 5 часов от солнечной панели. Количество потребленной электроэнергии будет: 10Вт х 5ч = 50Вт*ч. Таким же образом необходимо рассчитать общую величину потребляемой энергии, а именно рассчитать для каждого прибора и сложить полученные величины.

Пример: настольная лампа = 10Вт х 5ч = 50 Вт*ч + вентилятор = 50Вт х 2ч = 100Вт*ч, телевизор = 50Вт х 2ч = 100 Вт*ч, всего = 50 + 100 + 100 = 250 Вт*ч.

Когда закончите расчет нагрузки, пора приступать к выбору компонентов в соответствии с вашим требованием нагрузки.

Принцип работы солнечной батареи

На самом деле, правильное название — фотоэлемент (то есть, фотобатарея). Но поскольку источником света является солнце, прижилось наименование «солнечная батарея».

Элемент представляет собой «бутерброд» и пластинок кремния, разделенных стандартным (для радиодеталей) переходом. Секрет в том, что кремниевые части имеют различный тип:

Такие комплекты применяются практически во всех радиодеталях, изготовленных из кремния.

Это интересно: Многие из стандартных радиокомпонентов также могут вырабатывать электроэнергию при воздействии яркого света. Просто КПД настолько мизерный, что использовать их в качестве источника тока бессмысленно.

К слою кремния N-типа добавляется фосфор. В состоянии покоя такая смесь дает избыток электронов с естественным отрицательным зарядом.

P-тип «обогащен» бором, что создает дефицит отрицательных зарядов (так называемый эффект электроновых дыр).

Соответственно, к N-слою подключается отрицательный электрод (для снятия электротока), а к P-слою — положительный.

Из законов физики мы знаем, что в P/N переходе присутствует электрической поле. Под воздействием на отрицательную панель солнечных фотонов, в переходе происходит интенсивное разделение отрицательных и положительных частиц. «Минусы» накапливаются в верхнем слое, а «плюсы» в нижнем. В результате, солнечный бутерброд превращается в обычную батарейку с накопленным зарядом. Если к электродам подключить потребителя энергии — возникает электроток.

Естественно, заряд в таком источнике моментально исчезает, но его тут же восстанавливает солнечный свет. Таким образом, пока фотобатарея интенсивно бомбардируется фотонами, мы имеем достаточно производительную мини электростанцию.

Современные батареи могут работать даже при отсутствии прямых солнечных лучей (например, при сплошной облачности). Естественно, интенсивность выработки электроэнергии при этом снижается. Но при отсутствии света (даже луна не способна «пробудить» батарею), процесс останавливается. Поэтому рассматривать фотопанели отдельно, как источник электроэнергии нельзя. Схема подключения солнечных батарей обязательно включает в себя буферное устройство: аккумулятор энергии.

Кроме того, вырабатываемый ток нестабилен, поэтому для организации энергоснабжения объекта требуется управляющий контроллер. Разумеется, если вы используете мобильную фотобатарею для подзарядки смартфона в многодневном походе, такие технологии не требуются. А для строительства индивидуальной электростанции требуется комплект периферийных устройств.

Частые вопросы

Можно ли обойтись в автономной системе без аккумуляторов?

Поскольку генерация идет с перерывами, накопитель в системе обязателен. Можно использовать не электрохимические, а другие варианты, например, гидроаккумулятор. Но, как правило, его создание обойдется значительно дороже и связано с трудностями исполнения.

Можно ли увеличить отдачу панелей с использованием поворотных систем слежения за солнцем?

Конечно, но они существенно усложняют и удорожают систему.

Можно ли установить в систему автомобильные обслуживаемые аккумуляторы?

Можно, но с ними те же проблемы, что и с тяговыми – требуется отдельное помещение и соответствующие правилам безопасности условия. Кроме того, они плохо переносят разряд малыми токами, что существенно снижает ресурс.

Как часто нужно мыть поверхности панелей?

Как правило, производители не устанавливают частоту такого обслуживания, утверждают, что природных осадков достаточно для чистоты поверхностей. Но 2-4 раза в год полить панели водой из шланга не помешает.

Какую из схем использовать выгоднее?

Наиболее эффективной считается гибридная система, которая позволяет обеспечить бесперебойное электроснабжение при минимуме оплаты поставщикам электроэнергии.

Стоит ли использовать солнечные панели для частного дома в Средней полосе?

По показателям инсоляции можно сделать вывод, что и в такой местности солнечные электростанции себя вполне оправдывают. Естественно, в общем она обойдется несколько дороже, но окупает создание всего за 3-5 лет эксплуатации.

Как выполнятся монтаж

Выбирают место, где будут фиксироваться панели. Оценивают факторы:

• тень: следует найти наиболее ярко освещаемый на протяжении всего дня участок;
• ориентация по сторонам света: если объект расположен на севере, модуль располагают лицевой панелью к югу и, наоборот;
• угол наклона: он должен соответствовать широте, в которой находится объект (в зависимости от положения относительно экватора осуществляется коррекция 12°).

Монтаж солнечных панелей

Крепить панели можно на крыше дома или при помощи специальных ферм. В первом случае достаточно зафиксировать профили. К ним уже крепят модули при помощи болтового соединения. Когда же солнечные батареи монтируются на специальных конструкциях (фермах), этапы работ будут отличаться:

1. Выполняется сборка профилей, уголков.
2. Подготавливают болты нужного размера, инструмент.
3. Фиксируют панели так, чтобы не было люфта между ними и опорной конструкцией.

Подключение электроники предполагает необходимость присоединения батареи посредством проводов. Соединяют контроллер, инвертор согласно схеме. На последнем этапе вся конструкция подключается к потребителю (обслуживаемому объекту).

Как рассчитать количество солнечных батарей

Прежде всего необходимо рассчитать, сколько электроэнергии потребляет Ваша семья за день. Приблизительное количество можно понять из показателей в квитанциях на оплату электричества, которые приходили Вам ранее. Просто разделите этот показатель на количество дней в месяце. Если это совсем новый дом и раньше Вам не приходили квитанции, то придется подсчитать потребляемую мощность всех электроприборов за сутки. К этой цифре прибавьте еще 20%, которые пойдут на работу самих аккумуляторов батареи. Полученные данные помогут определить, сколько панелей и какой мощности Вам нужны

При расчетах стоит брать во внимание и уровень инсоляции в Вашем регионе

Схема сборки солнечной электросистемы

Подключение солнечных панелей осуществляется посредством задействования встроенных соединительных проводов сечением в 4 мм2. Лучше всего для этой цели подходят одножильные медные провода, изоляционная оплетка которых устойчива к ультрафиолетовому излучению.

В случае использования провода, изоляция которого не устойчива к воздействию УФ-лучей, его наружную прокладку рекомендуется выполнять гофрорукаве.

Конец каждого провода соединен с разъемом стандарта МС4 посредством пайки или обжима, благодаря чему обеспечивается герметичное соединение

Независимо от выбранной схемы перед подключением солнечных панелей в обязательном порядке необходимо проверить правильность электромонтажа.

При подключении панелей не рекомендуется превышать технические требования по допустимому току и максимальному напряжению других устройств

Важно придерживаться указанных производителем технических требований контроллера заряда и инвертора

Стандартная схема сборки самой простой солнечной электростанции выглядит следующим образом.

Схема подключения панелей к аккумулятору, инвертору и контроллеру имеет простое исполнение, а потому особых сложностей в подключении не вызывает

Чтобы избежать поломки контроллера, при подключении элементов системы важно соблюдать последовательность. Монтажные работы выполняют в несколько этапов:

Монтажные работы выполняют в несколько этапов:

1. Аккумулятор подключают к контроллеру, задействуя для этого соответствующие разъемы и не забывая соблюдать полярность.
2. К контроллеру через разъемы при соблюдении все той же полярности присоединяют солнечную батарею.
3. К разъемам контроллера подключают нагрузку в 12 В.
4. Если необходимо преобразовать электрическое напряжение с 12 до 220 В, то в схему включают инвертор. Его подключают только к аккумулятору и ни в коем случае не напрямую к контроллеру.
5. К свободному выходу инвертора подключают электроприборы, рассчитанные на напряжение в 220 В.

Выполнив соединение, нужно проверить полярность и измерить напряжение холостого хода панелей. Если показатель отличается от паспортного значения – соединение выполнено неправильно.

Для подключения устройства к системе нет необходимости вскрывать распаечную монтажную коробку – все соединительные разъемы расположены в доступности

На завершающем этапе солнечную батарею необходимо заземлить. Чтобы минимизировать вероятность короткого замыкания, в местах соединения между аккумулятором, инвертором и контроллером устанавливают предохранители.

Энергия солнечных электростанций найдет применение в питании маломощных бытовых приборов и в зарядке аккумуляторов мобильной техники:

Желающим соорудить солнечную батарею собственноручно поможет информация, приведенная в следующей статье.

Коллекторная система отопления

Наибольшей эффективности и отдачи можно добиться, установив вместо солнечных модулей коллекторы – наружные установки, в которых под действием солнечного излучения происходит нагрев воды. Такая система является более логичной и естественной, так как не потребует нагревания теплоносителя другими устройствами.

Рассмотрим конструкцию и принцип действия приборов двух основных видов: плоских и трубчатых.

Плоский вариант для самостоятельного изготовления

Конструкция плоских установок настолько проста, что опытные мастера-умельцы собирают кустарные аналоги своими руками, часть деталей купив в специализированном магазине, часть соорудив из подручного материала.

Внутри стального или алюминиевого утепленного короба закреплена пластина, адсорбирующая солнечное тепло. Чаще всего она покрыта слоем черного хрома. Сверху теплопоглотитель защищен герметичной прозрачной крышкой.

Нагревание воды происходит в трубках, уложенных змейкой и соединенных с пластиной. Вода или антифриз поступает внутрь короба через впускной патрубок, нагревается в трубках и перемещается на выход – к выпускному патрубку.

Светопропускная способность крышки объясняется использованием прозрачного материала – прочного закаленного стекла или пластика (например, поликарбоната). Чтобы солнечные лучи не отражались, стеклянную или пластиковую поверхность матируют (+)

Существует два вида подключения, однотрубное и двухтрубное, принципиальной разницы в выборе нет. Но существует большая разница в том, каким способом теплоноситель будет подаваться к коллекторам – самотечным или с помощью насоса. Первый вариант признан неэффективным из-за слабой скорости передвижения воды, по принципу нагрева он напоминает емкость для летнего душа.

Функционирование второго варианта происходит благодаря подключению циркуляционного насоса, который подает теплоноситель в принудительном порядке. Источником энергии для работы насосного оборудования может стать энергосистема на солнечных батареях.

Температура теплоносителя при нагреве солнечным коллектором достигает 45-60 ºС, на выходе максимальный показатель – 35-40 ºС. Для повышения эффективности работы отопительной системы наряду с радиаторами используют «теплые полы» (+)

Трубчатые коллекторы – решение для северных регионов

Общий принцип работы напоминает функционирование плоских аналогов, но с одной разницей – теплообменные трубки с теплоносителем находятся внутри стеклянных колб. Сами трубки бывают перьевыми, запаянными с одной стороны и внешним видом напоминающие перья, и коаксиальными (вакуумными), вставленными друг в друга и запаянными с обеих сторон.

Теплообменники также бывают разными:

• система преобразования солнечной энергии в тепловую Heat-pipe;
• обычная трубка для перемещения теплоносителя U-type.

Второй вид теплообменников признан более эффективным, но недостаточно популярным из-за стоимости ремонта: при выходе из строя одной трубки придется производить замену всей секции.

Трубка Heat-pipe не является частью целого сегмента, поэтому поменять ее можно за 2-3 минуты. Вышедшие из строя коаксиальные элементы ремонтируют, просто сняв заглушку и заменив поврежденный канал.

Схема, объясняющая цикличность нагревательного процесса внутри вакуумных трубок: холодная жидкость под воздействием солнечного тепла нагревается и испаряется, уступая место следующей порции холодного теплоносителя (+)

Проанализировав технические характеристики коллекторов разного типа и обобщив опыт их использования, решили, что для южных областей больше подходят плоские коллекторы, а для северных – трубчатые. Особенно хорошо зарекомендовали себя в условиях сурового климата установки с системой Heat-pipe. Они обладают нагревательной способностью даже в пасмурные дни и ночью, «питаясь» минимальным количеством солнечного света.

Образец стандартной схемы подключения солнечных коллекторов к бойлерному оборудованию: насосная станция обеспечивает циркуляцию воды, контроллер регулирует процесс нагревания