Как работают солнечные батареи: принцип, устройство, материалы
Солнечные батареи считаются очень эффективным и экологически чистым источником электроэнергии. В последние десятилетия данная технология набирает популярность по всему миру, мотивируя многих людей переходить на дешевую возобновляемую энергию. Задача этого устройства заключается в преобразовании энергии световых лучей в электрический ток, который может использоваться для питания разнообразных бытовых и промышленных устройств.
Правительства многих стран выделяют колоссальные суммы бюджетных средств, спонсируя проекты, которые направлены на разработку солнечных электростанций. Некоторые города полностью используют электроэнергию, полученную от солнца. В России эти устройства часто используются для обеспечения электроэнергией загородных и частных домов в качестве отличной альтернативы услугам централизованного энергоснабжения. Стоит отметить, что принцип работы солнечных батарей для дома достаточно сложный. Далее рассмотрим подробнее, как работают солнечные батареи для дома подробно.
Немного истории
Первые попытки использования энергии солнца для получения электричества были предприняты еще в середине двадцатого века. Тогда ведущие страны мира предпринимали попытки строительства эффективных термальных электростанций. Концепция термальной электростанции подразумевает использование концентрированных солнечных лучей для нагревания воды до состояния пара, который, в свою очередь, вращал турбины электрического генератора.
Поскольку, в такой электростанции использовалось понятие трансформации энергии, их эффективность была минимальной. Современные устройства напрямую преобразуют солнечные лучи в ток благодаря понятию фотоэлектрический эффект.
Современный принцип работы солнечной батареи был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы солнечной батареи на практике.
Принцип работы
Как было сказано раньше, принцип работы заключается в эффекте полупроводников. Кремний является одним из самых эффективных полупроводников, из известных человечеству на данный момент.
При нагревании фотоэлемента (верхней кремниевой пластины блока преобразователя) электроны из атомов кремния высвобождаются, после чего их захватывают атомы нижней пластины. Согласно законам физики, электроны стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Соответственно, с нижней пластины электроны двигаются по проводникам (соединительным проводам), отдавая свою энергию на зарядку аккумуляторов и возвращаясь в верхнюю пластину.
Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.
Устройство
Конструкция солнечной батареи очень проста.
Основу конструкции устройства составляют:
- корпус панели;
- блоки преобразования;
- аккумуляторы;
- дополнительные устройства.
Корпус выполняет исключительно функцию скрепления конструкции, не имея больше никакой практической пользы.
Основными элементами являются блоки преобразователей. Это и есть фотоэлемент, состоящий из материала-полупроводника, которым является кремний. Можно сказать, что состоят солнечные батареи, устройство и принцип работы которых всегда одинаковый, из каркаса и двух тонких слоев кремния, который может быть нанесен на поверхность, как монокристаллическим, так и поликристаллическим методом.
От метода нанесения кремния зависит стоимость батареи, а также ее эффективность. Если кремний наносится монокристаллическим способом, то эффективность батареи будет максимально высокой, как и стоимость.
Если говорить о том, как работает солнечная батарея, то не нужно забывать об аккумуляторах. Как правило, используется два аккумулятора. Один является основным, второй — резервным. Основной накапливает электроэнергию, сразу же направляя ее в электрическую сеть. Второй накапливает избыточную электроэнергию, после чего направляет ее в сеть, когда напряжение падает.
Среди дополнительных устройств можно выделить контроллеры, которые отвечают за распределение электроэнергии в сети и между аккумуляторами. Как правило, они работают по принципу простого реостата.
Очень важными элементами солнечной назвать диоды. Данный элемент устанавливается на каждую четвертую часть блока преобразователей, защищая конструкцию от перегрева из-за избыточного напряжения. Если диоды не установлены, то есть большая вероятность, что после первого дождя система выйдет из строя.
Как подключается
Как было сказано раньше, устройство солнечной батареи достаточно сложное. Правильная схема солнечной батареи поможет добиться максимальной эффективности. Подключать блоки преобразователей необходимо при помощи параллельно-последовательного способа, что позволит получить оптимальную мощность и максимально эффективное напряжение в электрической сети.
Разновидности солнечных батарей
Существует несколько разновидностей фотоэлементов для солнечных батарей, которые отличаются между собой строением кристаллов кремния.
Выделяют три вида фотоэлементов:
- поликристаллические;
- монокристаллические;
- аморфные.
Первый вид панелей является более дешевым, но менее эффективным, поскольку, если кремний нанесен поликристаллическим способом, то электроны не могут двигаться прямолинейно.
Монокристаллические фотоэлементы отличаются максимальным КПД, который достигает 25 %. Стоимость таких батарей выше, но для получения 1 киловатта нужна существенно меньшая площадь фотоэлементов, чем при использовании поликристаллических панелей.
Из аморфного кремния изготавливают гибкие фотоэлементы, но их КПД самый низкий и составляет 4-6 %.
Преимущества и недостатки
Основные преимущества солнечных батарей:
- солнечная энергия абсолютно бесплатная;
- позволяют получать экологически чистую электроэнергию;
- быстро окупаются;
- простая установка и принцип работы.
- большая стоимость;
- для удовлетворения потребностей небольшой семьи в электроэнергии нужна достаточно большая площадь фотоэлементов;
- эффективность существенно падает в облачную погоду.
Как добиться максимальной эффективности
При покупке солнечных батарей для дома очень важно подобрать конструкцию, которая сможет обеспечить жилище электроэнергией достаточной мощности. Считается, что эффективность солнечных батарей в пасмурную погоду составляет приблизительно 40 Вт на 1 квадратный метр за час. В действительности, в облачную погоду мощность света на уровне земли составляет приблизительно 200 Вт на квадратный метр, но 40 % солнечного света – это инфракрасное излучение, к которому солнечные батареи не восприимчивы. Также стоит учитывать, что КПД батареи редко превышает 25 %.
Иногда энергия от интенсивного солнечного света может достигать 500 Вт на квадратный метр, но при расчетах стоит учитывать минимальные показатели, что позволит сделать систему автономного электроснабжения бесперебойной.
Каждый день солнце светит в среднем по 9 часов, если брать среднегодовой показатель. За один день квадратный метр поверхности преобразователя способен выработать 1 киловатт электроэнергии. Если за сутки жильцами дома израсходуется приблизительно 20 киловатт электроэнергии, то минимальная площадь солнечных панелей должна составлять приблизительно 40 квадратных метров.
Однако, такой показатель потребления электроэнергии на практике встречается редко. Как правило, жильцы израсходуют до 10 кВТ в сутки.
Если говорить о том, работают ли солнечные батареи зимой, то стоит помнить, что в данную пору года сильно снижается длительность светового дня, но, если обеспечить систему мощными аккумуляторами, то получаемой за день энергии должно быть достаточно с учетом наличия резервного аккумулятора.
При подборе солнечной батареи очень важно обращать внимание на емкость аккумуляторов. Если нужны солнечные батареи работающие ночью, то емкость резервного аккумулятора играет ключевую роль. Также устройство должно отличаться стойкостью к частой перезарядке.
Несмотря на тот факт, что стоимость установки солнечных батарей может превысить 1 миллион рублей, затраты окупятся уже в течении нескольких лет, поскольку энергия солнца абсолютно бесплатна.
Видео
Как устроена солнечная батарея, расскажет наше видео.
Миллиарды на солнце: как чистую энергию применяют в промышленности
О том, в каких отраслях уже используется энергия солнца и почему инвестиции в этот сектор растут в геометрической прогрессии, рассказывает директор российской компании, реализующей проекты по альтернативной энергетике
Об авторе: Игорь Шахрай, генеральный директор «Юнигрин Энерджи».
Технологии десятилетиями помогали человеку менять мир, давали толчок к развитию бизнеса и экономики, создавали целые индустрии. Одной из таких индустрий стала возобновляемая энергетика — сегодня это не просто альтернатива нефти и газу, но и ключевой элемент в борьбе с изменением климата и ростом цен на электроэнергию.
Мировой тренд
Возобновляемая энергетика в целом и солнечная энергетика в частности — одна из немногих отраслей, на темпах развития которой не сказались ни пандемия, ни экономическая турбулентность, ни разрывы цепочек поставок. В прошлом году был побит очередной рекорд по вводу солнечной генерации в мире — установлено еще 240 ГВт солнечных электростанций, а их суммарная установленная мощность превысила 1 ТВт.
В 2021 году доля возобновляемой энергетики составляла 10%, но уже превышала долю атомной, а в 2022 году доля ветровой и солнечной энергетики достигла рекордных 12% мирового производства электроэнергии.
Согласно отчету Международного энергетического агентства, с марта 2020 года 67 стран выделили на возобновляемую энергию до $1,215 трлн. 45% из этих средств выделили США, а 37% потратили страны ЕС. При этом к 2030 году глобальные инвестиции в чистую энергию вырастут еще на 50% — до более чем $2 трлн.
В чем причина такого бурного роста? В рекордной «скорости обучения технологий». ВИЭ отличаются от ископаемого топлива тем, что их себестоимость следует экспоненциальной «кривой обучения». У «зеленых» станций практически нет расходов на эксплуатацию, они не подвержены топливной инфляции, то есть их цена зависит исключительно от стоимости технологий. По мере развития и масштабирования производств оборудования сначала был достигнут так называемый сетевой паритет, а уже к 2017 году инвестиционный банк Lazard назвал ветровую и солнечную энергетику самыми дешевыми технологиями генерации электроэнергии. Речь шла о стоимости строительства новой электростанции, но уже в докладе 2023 года стоимость кВт⋅ч некоторых проектов ветровой и солнечной энергетики стала сопоставима с предельными издержками даже «традиционных» электростанций.
Страны-лидеры
Сегодня 60+ стран производят более 10% своей электроэнергии на ветровых и солнечных электростанциях. Среди стран — лидеров по доле ВИЭ в энергобалансе с большим отрывом идет Китай, установивший более половины всего мирового объема возобновляемой энергии, затем страны ЕС, США и Япония. Тем не менее производство более 80% всего оборудования для экологически чистых энергетических технологий сконцентрировано в Китае. При этом другие крупнейшие страны — Россия, США и Индия — развивают собственные технологии и масштабируют свои производства.
Постепенно этот тренд переходит с государственного на корпоративный уровень: сегодня основными драйверами роста доли возобновляемой генерации становятся не правительства стран, чьи мотивы могут различаться, а бизнес, который понимает, что эпоха дешевого ископаемого топлива закончилась.
Так, в прошлом году портфель зеленой энергии Amazon превысил 20 ГВт, что в пять раз больше всей установленной мощности солнечных и ветроэлектростанций на территории России и сопоставимо с портфелями крупнейших мировых энергокомпаний.
Суммарный объем потребления 403 крупнейших мировых компаний, которые планируют полностью перейти на чистую энергию, исчисляется сотнями ТВт⋅ч и сопоставим с энергопотреблением, например, Бразилии.
Помимо строительства крупных солнечных парков, растет популярность интегрированных энергоэффективных решений, например солнечных фасадов, когда сама площадь здания генерирует электроэнергию. Для таких станций, так же как и для крышных, не нужна дополнительная территория. Например, самым большим офисным зданием, работающим на солнечной энергии, стал сервисный центр городского развития Парка инноваций и предпринимательства Шаньдун в Китае.
Использование складских, офисных и производственных помещений для генерации электроэнергии стало нормой для компаний во всем мире, как энергосберегающие лампочки. Кстати, самая большая крышная солнечная электростанция мощностью 18 МВт и площадью 110 тыс. м² расположена не в самых солнечных Нидерландах — на складе производителя одежды PVH Europe в Венло.
Солнечные технологии и российский бизнес
В России с 2014 года построено около 2 ГВт солнечных электростанций, созданы и масштабируются производства солнечных элементов и другого оборудования.
Однако интерес со стороны бизнеса к этой сфере активизировался не так давно, когда в большинстве регионов себестоимость выработки солнечных кВт⋅ч стала сопоставима или даже ниже стоимости электроэнергии из сети.
Вторым ключевым фактором стала климатическая повестка, влияние которой, особенно на крупных экспортеров, ежегодно усиливается. При этом нормативные требования азиатских стран в части экологизации цепочки поставок уже стали строже европейских.
Каждый МВт⋅ч зеленой электроэнергии снижает выбросы углекислого газа на 350 кг, поэтому крупный бизнес, который обязан указывать углеродный след продукции, переходит на использование возобновляемой электроэнергии. Это можно сделать двумя способами: заключив договор поставки электроэнергии с солнечной или ветроэлектростанцией или построив собственную чистую электростанцию (например, для электроснабжения месторождений и удаленных объектов, как это сделали компании «Полиметалл», «Газпром нефть»). Собственные солнечные электростанции, обеспечивающие энергоснабжение офисов и производственных активов, уже есть у ЛУКОЙЛа и «Сибура».
Факторами, формирующими спрос на зеленые технологии, стали FMCG (товары повседневного спроса) и строительный бизнес, отслеживающий запросы со стороны потребителей их товаров и услуг. Это продуктовые и строительные гипермаркеты, банки, производители товаров повседневного спроса. Последние два года этот тренд усиливается среди крупных застройщиков — в «Юнигрин Энерджи» разработали и сертифицировали российские энергогенерирующие фасады, которые позволяют снижать энергопотребление и, следовательно, расходы на эксплуатацию коммерческой и жилой недвижимости. Первое в России здание с использованием фасадных систем появилось в Калининграде. В рамках программы капитального ремонта в дом на улице Маршала Баграмяна были интегрированы солнечные вентилируемые фасады.
Внедрять энергоэффективные решения в новом строительстве начали в прошлом году: в Уфе строят многоквартирный дом с энергогенерирующим фасадом — ЖК «Умный дом «Гелиос». Дом будет облицован фотоэлектрическими модулями, которые позволят уменьшить энергопотребление дома более чем на 150 МВт⋅ч в год и экономить около ₽400 тыс. ежегодно. Аналогичные проекты реализует «Кортрос» в ЖК Headliner в Москве и в ЖК «Олимпика» в Екатеринбурге.
Еще один сегмент, обеспечивающий рост спроса на зеленые технологии в России, — это малый и средний бизнес. Как правило, солнечные электростанции средней мощности монтируют на крышах помещений, снижая общее потребление электроэнергии из сети. Причем такие решения появляются не только в южных регионах — солнечные электростанции есть в Ижевске на крыше производства кофе или Рязанской области на крыше одного из зданий на территории аэродрома. Дело в том, что цена сетевого электричества для компаний с небольшими объемами потребления в разных регионах России колеблется от ₽7 до ₽11 за кВт⋅ч. То есть не так важно, сколько солнца светит, чем то, сколько приходится платить за электричество из сети.
Как еще использовать солнце
Любые технологии, в которых для выработки электричества используется энергия солнца, универсальны, бесшумны и безопасны для человека и окружающей среды в течение всего периода эксплуатации. Солнечный элемент на 90% состоит из кремния, второго по распространенности элемента на Земле, не содержит тяжелых металлов или вредных для окружающей среды примесей и легко перерабатывается.
Именно возможность размещения солнечных панелей непосредственно рядом с местом проживания определило их активное внедрение в городскую инфраструктуру: освещение, дорожную разметку (световая индикация на асфальте), транспорт (солнечное электропитание).
В России уже более двух лет разрешено продавать излишки электроэнергии, выработанной на собственной крыше, обнуляя или снижая платежи за электроэнергию из сети. Но объемы потребления и тарифы на электроэнергию у населения ниже, чем у промышленности, поэтому частные электростанции в России окупаются в два раза дольше.
Использовать солнечную энергию можно и более локально — например, для зарядки телефона или ноутбука: такие устройства можно купить на любом маркетплейсе и больше не думать о том, где и как зарядить телефон.
Источник https://solar-energ.ru/kak-rabotayut-solnechnye-batarei-printsip-ustrojstvo-materialy.html
Источник https://trends.rbc.ru/trends/green/647060f09a7947e78cf634c9