Принцип роботи сонячних батарей (панелей) для будинку: схема дії і відео

прнціпи роботи сонячної панелі
Принцип роботи сонячних батарей (панелей) для будинку: схема дії і відео

Сонце є невичерпним джерелом енергії, яку людству потрібно навчитися використовувати в своїх цілях. Багато країн світу активно збільшують обсяг електроенергії, одержуваної з альтернативних джерел, в тому числі і від сонячної радіації. Потужностей таких комплексів вже досить, щоб організувати централізоване електропостачання невеликих міст. У даній статті розповімо про види і принципи роботи сонячних панелей, схеми та варіанти використання сонячної енергії різними пристроями і приладами.

Енергію сонця можна використовувати по-різному. По-перше, як економію електроенергії, що надходить до споживача з централізованих мереж. По-друге, для організації автономного електропостачання об’єктів, які не можна підключити до звичайної лінії електропередач. По-третє, для живлення окремо розташованих електросвітильників, заряджання АКБ, мобільних пристроїв. У кожного такого приладу своя принципова схема сонячної батареї зі своїми особливостями.

Який принцип дії сонячних батарей?

Сонячні модулі складаються з кремнієвих фотоелементів. Такий елемент являє собою «сендвіч», в якому пластинка напівпровідника знаходиться між струмопровідними шарами. У кристалі кремнію кожен його атом з’єднується з сусідами міцними зв’язками. У такому поєднанні електрони не можуть покинути свої місця. Тому електричний струм тут не тече. Щоб запустити цей процес, необхідно з’єднати разом два різних шари кремнію:

  1. Шар N, в якому є надлишок електронів.
  2. Шар P, де є вільні місця для електронів.

Таким чином, в місці з’єднання 2-х шарів електрони можуть вільно переходити від одного шару до іншого. Так, на одній стороні цього переходу буде позитивний заряд, на інший негативний.

Ефективність роботи фотоелементів залежить від схеми їх підключення. Максимум продуктивності і надійності можна домогтися, якщо всі фотоелементи з’єднати між собою паралельно-послідовно.

Фотоелементи не мають рухомих частин. Тому їх не треба обслуговувати, і вони фізично не зношуються. Простота пристрою і принципу роботи сонячної батареї забезпечує працездатність панелей протягом 20-25 років.

Види сонячних батарей по схемі роботи

Фотоелементи, виготовлені з кремнію, можуть відрізнятися за своєю кристалічною будовою. Пластини напівпровідника можуть бути:

  • Полікристалічні. Прості у виготовленні і коштують дешевше, проте їх КПД близько 12-15%;
  • Монокристалічні. ККД до 20%, але коштують дорожче;
  • Аморфні гнучкі панелі мають низький ККД, близько 6-10%.

Зрозуміти різницю між видами модулів і принцип роботи сонячної батареї можна ознайомившись з відео про виготовлення та роботі тонкоплівкової панелі First Solar.

Області застосування сонячних панелей

1. Особливості роботи сонячної електростанції для дому

Принципова схема роботи станції на основі сонячних батарей в комплексі з додатковими приладами досить проста. Але щоб це зрозуміти, потрібно вивчити її складові:

  • корпус;
  • фотоелементи;
  • акумулятори;
  • інвертор.

Якщо коротко розглядати принцип роботи, то не потрібно забувати про акумуляторы для сонячних батарей. Якщо фотоелемент під’єднати до споживача безпосередньо, система буде працювати нестабільно. Тому в схему роботи автономної електростанції на сонячних батареях включають АКБ. Найчастіше їх два. Перший акумулює електричний струм і відразу відправляє його споживачеві, другий накопичує електрику і поставляє його в разі падіння напруги.

Особливістю пристрою і принципу дії сонячної батареї є наявність в її схемі діодів Шотткі. Вони захищають сонячні міні електростанції від перегріву. Без діодів вся енергосистема може вийти з ладу після першого ж дощу або туману.

Як у побутових умовах, так і на виробництві більшість споживачів працюють на змінному струмі 220 В. Оскільки сонячний модуль виробляє постійний струм напругою 12/24/48 В, його необхідно трансформувати в змінний. В цьому і полягає принцип роботи інвертора сонячних батарей.

Інвертор складається з наступних елементів:

  • низькочастотного адаптера;
  • варикапа на тріодах;
  • диністорів;
  • обкладок.

Найбільша потужність генерації досягається, коли панель розташовується під прямим кутом до вектора падіння променів світла. Найбільш ефективно працюють прилади з поворотним принципом дії сонячної батареї. Але трекери істотно підвищують вартість комплексу СЕС.
Принцип роботи сонячних батарей для дому має багато спільного із схемою роботи простого калькулятора з фотоелементом для підзарядки. Різниця лише в розмірах складових частин електростанції та її потужності.

2. Принцип роботи ліхтарів і світильників на сонячних батареях

Вуличні ліхтарі на сонячних батареях мають наступний принцип роботи:

  • фотоелементи, встановлені на кришці приладу, генерують електричний струм;
  • струм накопичується у вбудованому акумуляторі світильника;
  • з АКБ електрика надходить в контролер, і він вмикає та вимикає лампу.

Такий принцип роботи мають й садові світильники на сонячних батареях. Тільки там всі складові приладу набагато меншої потужності і розмірів. Але садові світильники малопродуктивні і використовуються в основному для декоративних цілей і підсвічування доріжок.

3. Водонагрівач на сонячній енергії

Принцип роботи сонячної батареї грунтується на перетворенні радіації, випромінюваної Сонцем, в електричний струм. Цей процес можна використовувати не тільки для організації освітлення території та електроживлення домашніх приладів, але і в інших цілях. Наприклад, для нагріву води.

Принцип роботи сонячних батарей для нагріву води може бути двох типів:

  1. Прямий нагрів.
  2. Непрямий нагрів.

У першому випадку нагріта вода циркулює природним шляхом. У другому випадку у водонагрівачі використовується двоконтурна система, з конденсатором в основному баку, який і передає тепло робочій рідині.

Фотоелектричні панелі можна змонтувати до ТЕНу, який і буде гріти воду. Але цей принцип дії сонячних батарей досить енергозатратний і дорогий. У теплу пору року набагато вигідніше використовувати сонячний водонагрівач, який являє собою ряд труб, розміщених на ділянці, котра прогрівається сонцем. Вода, нагріта в трубах, надходить в колектор або безпосередньо в розподільний бак. Звичайно, недоліком такої системи є її простій в холодну пору року. Тому вигідніше використовувати комбіновані системи.

Часто сонячні водонагрівачі використовують для підігріву води в басейнах, коротко принцип роботи сонячних батарей в даному випадку такий:

  • в безпосередній близькості від басейну встановлюються сонячні батареї (колектор) – ряд труб, пофарбованих спеціальною, світлопоглинальною фарбою, яка сприяє швидкому нагріву води в теплообміннику;
  • в чаші басейну розміщується датчик температури;
  • при спрацьовуванні датчика включається насос і подає воду в теплообмінник, де відбувається її нагрівання до заданої температури;
  • як тільки вода в басейні нагріється, датчик вимкне насос.

Таким чином, енергію сонця можна використовувати й без дорогих фотоелектричних панелей.

4. Зарядні пристрої на сонячних батареях.

Мати в користуванні автономну мобільну мініелектростанцію на сонячних батареях дуже зручно і вигідно. Завдяки принципу дії сонячної батареї, такі пристрої-зарядки можуть працювати з навігаторами, ноутбуками, телефонами і іншими мобільними гаджетами.

До переваг таких зарядок відносять:

  • універсальність конструкції (вони адаптовані до різних пристроїв і комплектуються спеціальними адаптерами);
  • мають невеликі габарити;
  • не вимагають спеціального обслуговування.

В зарядних пристроях такого типу принцип роботи сонячної батареї наступний:

  • кристали фотоелементів трансформують сонячні промені в електричний струм;
  • струм накопичується в АКБ;
  • при підключенні до зарядки стороннього пристрою, струм поступово перетікає в його акумуляторну батарею.

Сьогодні у продажу є різні види зарядних пристроїв з фотоелементами:

  1. Моноблоки. Цей девайс за формою нагадує стільниковий телефон, тільки замість дисплея у нього розташована кремнієва панель. Зарядки даного виду вистачить для живлення мобільного телефона або іншого малопотужного гаджета.
  2. Гнучка панель. Це тонка пластина фотоелементів, яку можна складати або згортати. Її вага набагато менше моноблока. Але, принцип роботи сонячної панелі такої конструкції заснований на використанні аморфних кристалів кремнію. А значить, потужність зарядки буде невелика.
  3. Вбудована зарядка. Принцип роботи вбудованого пристрою з сонячною батареєю даної конструкції дуже цікавий. Сама панель закріплена на зовнішній стороні сумки або рюкзака, всередині яких є невеликий акумулятор, що накопичує електроенергію яка генерується фотоелементами. При необхідності завжди можна під’єднатися до АКБ і живити телефон, ноутбук або ліхтарик.
  4. Розкладачка. Це кілька гнучких панелей, які складені стопкою. Для їх використання потрібно розкласти батареї в одну лінію. Перевагою конструкції вважається її компактність в складеному вигляді. Таким чином виходить збільшити робочу площу, що забезпечує високу продуктивність зарядного пристрою, в основі якого лежать сонячні панелі. Принцип їх роботи аналогічний всім перерахованим вище видам зарядок.

При покупці зарядного пристрою на фотоелементах потрібно враховувати не тільки принцип роботи сонячної панелі, але і її потужність, розміри, вагу і характеристики АКБ.

5. Сонячні теплові електростанції

Під сонячною електростанцією зазвичай мається на увазі комплекс з батарей, які генерують електроенергію, але ж сонячну радіацію можна трансформувати і в тепло.

Принцип роботи та застосування сонячних батарей в теплових станціях може бути різний. Класичні види таких споруд:

  • баштові конструкції;
  • розподільні пристрої.

Принцип роботи сонячної станції баштового типу полягає в наступному:

  • в центрі споруди встановлена висока опора, на вершині якої розташований теплообмінник;
  • навколо опори по колу змонтована система плоских дзеркал, відбите світло від яких фокусується на теплообміннику;
  • під дією сонячних променів теплоносій в теплообміннику нагрівається і передає теплову енергію воді;
  • перетворюючись на пару, вода приводить в дію генератор, який і виробляє електричний струм.

Будова і принцип роботи такої теплової СЕС простіші, але ефективніші ніж у комплекса на сонячних батареях.

Будова і принцип дії розподільних станцій інший. У цьому випадку батарея з теплоносієм розташовується в центрі циліндричних дзеркал, половинки яких знаходяться на деякій відстані один від одного. В результаті в фокус відбитих сонячних променів потрапляє батарея, що складається з декількох труб, заповнених теплоносієм.

Принцип роботи станції розподільного типу простіший та ефективніший, порівняно з баштовими конструкціями. Розподільні СЕС побудовані в США і Китаї. За потужністю вони не поступаються фотоелектричним аналогам.

На Youtube-каналі компанії Green Tech Trade

можна подивитися відео, яке пояснює принцип роботи сонячної батареї та процес будівництва повноцінної електростанції.
Компанія є офіційним представником виробника сонячних панелей і надає послуги з супроводу, монтажу і запуску СЕС в Україні.

Компанія є офіційним представником виробника сонячних панелей First Solar і надає послуги з супроводу, монтажу і запуску СЕС в Україні.