Принцип работы солнечных батарей (панелей) для дома: схема действия и видео

Принцип работы и схема действия
Принцип работы солнечных батарей (панелей) для дома: схема действия и видео

Солнце является неисчерпаемым источником энергии, которую человечеству нужно научиться использовать в своих целях. Многие страны мира активно наращивают объём электроэнергии, получаемой из альтернативных источников, в том числе и от солнечной радиации. Мощностей таких комплексов уже достаточно, чтобы организовать централизованное электроснабжения небольших городов. В данной статье расскажем о видах и принципах работы солнечных панелей, схемах и вариантах использования солнечной энергии различными устройствами и приборами.

Энергию солнца можно использовать по-разному. Во-первых, на экономии электроэнергии, поступающей к потребителю из централизованных сетей. Во-вторых, для организации автономного электроснабжения объектов, которые нельзя подключить к обычной линии электропередач. В-третьих, для питания отдельно стоящих электросветильников, зарядке АКБ, мобильных гаджетов. У каждого такого прибора своя принципиальная схема солнечной батареи со своими особенностями.

Какой принцип работы солнечных батарей?

Солнечные модули состоят из кремниевых фотоэлементов. Такой элемент представляет собой «сэндвич», в котором пластинка полупроводника находится между токопроводящими слоями. В кристалле кремния каждый его атом соединяется с соседями прочными связями. В таком соединении электроны не могут покинуть свои места. Поэтому электрический ток здесь не течет. Чтобы запустить данный процесс, необходимо соединить вместе два различных слоя кремния:

  1. Слой N, в котором имеется избыток электронов.
  2. Слой P, где есть свободные места для электронов.

Таким образом, в месте соединения 2-х слоев электроны могут свободно переходить от одного слоя к другому. Так, на одной стороне этого перехода будет положительный заряд, на другой отрицательный.

Эффективность работы фотоэлементов зависит от схемы их подключения. Максимум производительности и надежности можно добиться, если все фотоэлементы соединить между собой параллельно-последовательно.

Фотоэлементы не имеют подвижных частей. Поэтому их не надо обслуживать, и они физически не изнашиваются. Простота устройства и принципа работы солнечной батареи обеспечивает стабильную работу в течение 20-25 лет.

Виды солнечных батарей по схеме действия

Фотоэлементы, изготовленные из кремния, могут отличаться по своему кристаллическому строению. Пластины полупроводника могут быть:

  • Поликристаллические просты в изготовлении и стоят дешевле, но производительно у них в районе 12-15%;
  • Монокристаллические дают КПД до 20%, но стоят дороже;
  • Аморфные гибкие панели имеют низкий КПД, около 6-10%.

Понять разницу между видами модулей и принцип работы солнечной батареи можно ознакомившись с видео по изготовлению и работе тонкопленочной панели First Solar.

Области применения солнечных панелей

1. Особенности работы солнечной электростанции для дома и ее устройство

Принципиальная схема работы станции на основе солнечных батарей в комплексе с дополнительными приборами достаточно простая. Но чтобы ее понять, нужно изучить ее составляющие:

  • корпус;
  • фотоэлементы;
  • аккумуляторы;
  • инвертор.

Если кратко рассматривать принцип работы, то не нужно забывать об аккумуляторах для солнечных батарей. Если фотоэлемент подключить к потребителю напрямую, система будет работать не стабильно. Поэтому в схему работы автономной электростанции на солнечных батареях включают АКБ. Чаще всего их два. Первый аккумулирует электрический ток и сразу отправляет его потребителю, второй накапливает электричество и поставляет его в случае падения напряжения.

Особенностью устройства и принцип действия солнечных батарей является присутствие в ее схеме диодов Шоттки. Они защищают солнечные мини электростанции от перегрева. Без диодов вся энергосистема может выйти из строя после первого же дождя или тумана.

В бытовых условиях, да и на производстве большинство электропотребителей работают на переменном токе 220 В. Поскольку солнечный модуль вырабатывает постоянный ток напряжением 12/24/48 В, его необходимо трансформировать в переменный. В этом и заключается принцип работы инвертора солнечных батарей.

Инвертор состоит из следующих элементов:

  • низкочастотного адаптера;
  • варикапа на триодах;
  • динисторов;
  • обкладки.

Наибольшая мощность генерации достигается, когда панель располагается под прямым углом к вектору падения лучей света. Наиболее эффективно работают приборы с поворотным принципом действия солнечной батареи. Но трекеры существенно повышают стоимость комплекса СЭС.
Принцип работы солнечных батарей для дома имеет много общего со схемой работы простого калькулятора с фотоэлементом для подзарядки. Разница лишь в размерах составных частей электростанции и ее мощности.

2.Принцип работы фонарей и светильников на солнечных батареях

Уличные фонари на солнечных батареях имеют следующий принцип работы:

  • фотоэлементы, установленные на крышке прибора, генерируют электрический ток;
  • ток накапливается во встроенном аккумуляторе светильника;
  • из АКБ электричество поступает в контроллер, и он включает и выключает лампу.

Такой принцип работы имеют и садовые светильники на солнечных батареях. Только там все составляющие прибора гораздо меньшей мощности и размеров. Но и садовые светильники малопроизводительны и используются во основном для декоративных целей и подсветки дорожек.

3. Водонагреватель на солнечной энергии

Принцип работы солнечной батареи основан на преобразовании радиации, излучаемой Солнцем, в электрический ток. Этот процесс можно использовать не только для организации освещения территории и электропитания домашних приборов, но и в других целях. Например, для нагрева воды.

Принцип работы солнечных батарей для нагрева воды может быть двух типов:

  1. Прямой нагрев.
  2. Косвенного типа.

В первом случае нагретая вода циркулирует естественным путем. Во втором случае в водонагревателе используется двухконтурная система, с конденсатором в основном баке, который и передает тепло рабочей жидкости.

Фотоэлектрические панели можно смонтировать к ТЭНу, который и будет греть воду. Но этот принцип действия солнечных батарей достаточно энергозатратный и дорогой. В теплое время года гораздо выгоднее использовать солнечный водонагреватель, представляющий собой ряд труб, размещенных на прогреваемом солнцем участке. Вода, нагретая в трубах, поступает в коллектор или напрямую в распределительный бак. Конечно, недостатком такой системы является ее простой в холодное время года. Поэтому выгоднее использовать комбинированные системы.

Часто солнечные водонагреватели используют для подогрева воды в бассейнах, кратко принцип работы солнечных батарей в данном случае такой:

  • в непосредственной близости от бассейна устанавливаются солнечные батареи (коллектор) – ряд труб, окрашенных специальной, светопоглощающей краской, которая способствует быстрому нагреву воды в теплообменнике;
  • в чаше бассейна размещается датчик температуры;
  • при срабатывании датчика включается насос и подает воду в теплообменник, где она нагревается до заданной температуры;
  • как только вода в бассейне нагреется, датчик выключит насос.

Таким образом, солнечную энергию можно эффективно использовать и без дорогих фотоэлектрических панелей.

4. Зарядные устройства на солнечных батареях

Иметь в пользовании автономную мобильную миниэлектростанцию на солнечных батареях очень удобно и выгодно. Благодаря принципу действия солнечной батареи, такие устройства-зарядки могут работать с навигаторами, ноутбуками, телефонами и другими мобильными гаджетами. К преимуществам таких зарядок относят:

  • универсальность конструкции (они адаптированы к различным устройствам и комплектуются специальными переходниками);
  • имеют небольшие габариты;
  • не требуют специального обслуживания.
    В зарядных устройствах такого типа принцип работы солнечной батареи следующий:
  • кристаллы фотоэлементов перерабатывают солнечные лучи в электрический ток;
  • ток накапливается в АКБ;
  • при подключении к зарядке стороннего устройства, ток постепенно перетекает в его аккумуляторную батарею.

Сегодня в продаже имеются различные виды зарядок с фотоэлементами:

  1. Моноблоки. Этот девайс по форме напоминает сотовый телефон, только вместо дисплея у него расположена кремниевая панель. Зарядки данного вида хватит, чтобы запитать мобильный телефон или другой маломощный гаджет.
  2. Гибкая панель. Это тонкая пластина фотоэлементов, которую можно складывать или сворачивать. Ее вес намного меньше моноблока. Но, принцип работы солнечной панели такой конструкции основан на использовании аморфных кристаллов кремния. А значит, мощность зарядки будет небольшая.
  3. Встроенная зарядка. Принцип работы встроенного устройства с солнечной батареей данной конструкции очень интересен. Сама панель закреплена на наружной стороне сумки или рюкзака, внутри которых имеется небольшой аккумулятор, накапливающий электроэнергию, генерируемую фотоэлементами. При необходимости всегда можно подключиться к АКБ и запитать телефон, ноутбук или фонарик.
  4. Раскладушка. Это несколько гибких панелей, которые сложены стопкой. Для их использования нужно разложить батареи в одну линию. Преимуществом конструкции считается ее компактность в сложенном виде. Таким образом получается увеличить рабочую площадь, что обеспечивает высокую производительность зарядного устройства, в основе которого лежат солнечные панели. Принцип их работы аналогичен всем вышеперечисленным видам зарядок.

При покупке зарядного устройства на фотоэлементах нужно учитывать не только принцип работы солнечной панели, но и ее мощность, размеры, вес и характеристики АКБ.

5. Солнечные тепловые электростанции

Под солнечной электростанцией обычно подразумевается комплекс из батарей, которые генерируют электроэнергию, но ведь солнечную радиацию можно трансформировать и в тепло.

Принцип работы и применение солнечных батарей тепловых станций может быть разный. Классические виды таких сооружений:

  • башенные конструкции;
  • распределительные устройства.

Принцип работы солнечной станции башенного типа заключается в следующем:

  • в центре сооружения установлена высокая опора, на вершине которой расположен теплообменник;
  • вокруг опоры по кругу смонтирована система плоских зеркал, отраженный свет от которых фокусируется на теплообменнике;
  • под действием солнечных лучей теплоноситель в теплообменнике нагревается и передает тепловую энергию воде;
  • превращаясь в пар, вода приводит в действие генератор, который и производит электрический ток.

Устройство и принцип работы такой тепловой СЭС проще, но эффективней чем комплекса на солнечных батареях.

Устройство и принцип действия распределительных станций иной. В этом случае батарея с теплоносителем располагается в центре цилиндрических зеркал, половинки которых находятся на некотором расстоянии друг от друга. В результате в фокус отраженных солнечных лучей попадает батарея, состоящая из нескольких труб, заполненных теплоносителем.

Принцип работы станции распределительного типа более простой и эффективный, по сравнению с башенными конструкциями. Распределительные СЭС построены в США и Китае. По мощности они не уступают фотоэлектрическим аналогам.

На ютуб канале компании Green Tech Trade

можно посмотреть видео, объясняющее принцип работы солнечной батареи и процесс строительства полноценной электростанции.

Компания является официальным представителем производителя солнечных панелей и оказывает услуги по сопровождению, монтажу и запуску СЭС в Украине.